JP2010508908A - Ｍｒｉで使用される分極試料ための方法およびデバイス - Google Patents

Abstract

磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）で使用される過分極試料を作製する方法および装置が提供される。この装置は、選択された材料の試料の分極に使用される超小型の無寒剤クライオスタット構造を含み、クライオスタット構造は、真空排気されて真空領域を生成するように適合された中心開口部（６）、および中心開口部内または適宜に中心開口部に近接するように挿入され、試料を選択された温度に維持する冷却デバイス（２１０、２６０）を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般に、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）で使用される試料を分極するためのデバイスおよび方法に関する。

本発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析に関し、特に核磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）および分析用高分解能ＮＭＲ分光法に関する。

ＭＲＩは非観血的であり、検査中の患者をＸ線など有害な可能性がある放射線に曝す必要がないため、医師が特に関心を持つようになった診断技法である。分析用高分解能ＮＭＲ分光法は分子構造の決定に日常的に使用されている。

ＭＲＩおよびＮＭＲ分光法は、使用される試料の核スピン分極が通常は非常に低いため、感度が十分でない。固体相での核スピンの分極を向上させる幾つかの技術がある。こうした技術は過分極(hyperpolarization)技術として周知であり、感度の向上をもたらす。過分極技術では、たとえばＣ１３ピルベートまたは他の同様の分極された代謝性イメージング剤など、イメージング剤の試料が撮像される被験者に導入または注射される。本明細書で使用されるように、用語「分極」は、固体材料の物理的特性が、さらにＭＲＩで使用されるように変更されることを指す。また、本明細書で使用されるように、用語「過分極」は、米国特許第６，４６６，８１４号に詳細に記載されているように、室温および１Ｔで見られるレベルを超えるレベルに分極することを指す。しかし、ＮＭＲ信号を生体内医療イメージングに使用するには、分極試料を溶液にしてから、イメージング対象に導入しなければならない。さらに、生体内分析用ＮＭＲ分光法では、分極固体試料を溶液にすることも有利な場合が多い。投与およびＭＲ信号測定の前の、イメージング剤の生体外での分極に関する技術も開発されている。場合によっては、イメージング剤はＭＲＩスキャナでの最終使用から離れた場所で過分極される。生体外分極には、分極された固体試料を溶液にし、分極損失を最小限に抑えてＮＭＲ磁石に移送しなければならない問題がある。米国特許第６，４６６，８１４号には、固体分極試料を溶解するための装置および方法が記載されている。この方法では、分極された試料は、クライオスタットから手で持ち上げられ、０．４Ｔの磁場に曝されつつ、約１秒以内で４０℃で重水に溶解される。分極試料を含む溶液の他の作製方法と比較して、この方法では約２１倍まで分極が向上した。

また、高分極の試料を作製できる装置を作製するための現在考案されている技術では、磁場が形成された低温空間をＮＭＲ機器に設ける必要がある。こうするには、好適な大きさの開口部を有する任意の通常のＮＭＲ磁石に、フロー型クライオスタット(flow cryostat)、および向上された核分極の分子の溶液を作製できるようにする装置を装備してもよい。フロ−クライオスタットは磁石の開口部に挿入することができる真空絶縁室であり、磁石は、通常、室温の開口部を有し、冷寒剤の流れによって開口部の温度を低下することができるように設計される。フロークライオスタットは通常、移送ラインおよびポンピングデバイスによって外部寒剤供給部に連結され、フロークライオスタットへの寒剤の流れによって磁石の開口部が冷却され、低温空間が形成される。フロークライオスタットに、様々な分極技術によって固体試料の分極を可能にする手段を装備し、固体状態および溶液の核信号を検出する機器を装備することができる。通常、ＮＭＲ分析または過分極イメージング剤の作製専用のシステムでは、低温空間が磁石クライオスタットに統合されることが好ましい。したがって、現在の過分極システムおよび技術には、ＭＲＩシステム内の磁石の冷却に必要とされる寒剤の他に、冷寒剤の形態の冷却手段が必要である。寒剤の貯蔵および維持に関連する様々な実際的かつ環境上の課題がある。また、寒剤の取り扱いに関連する臨床状況の課題がある。したがって、ＭＲＩシステムでの寒剤使用を低減する機会を検討する必要があり、寒剤の減少、または無寒剤過分極デバイスおよびその方法が必要とされている。

米国特許第６，４６６，８１４号公報 国際公開ＷＯ０２／３７１３２号公報 米国特許第５，０１８，３５９号公報 国際公開ＷＯ００／２３７９７号公報 米国特許第７１０２３５４号公報 米国特許第２００４／００６６１９３Ａ１号公報 米国特許第２００４／００４９１０８Ａ１号公報 米国特許第２００６／０１９２５５９Ａ１号公報 米国特許第２００５／０２２５３２８Ａ１号公報

Ｄｅ Ｗａｅｌｅ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ａｕｇｕｓｔ １、２００５"Ｔｈｅ Ｓｕｐｅｒｆｌｕｉｄ Ｖｏｒｔｅｘ Ｃｏｏｌｅｒ" ＴＡＮＡＥＶＡ Ｉ．："Ｌｏｗ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｒｙｏｃｏｏｌｉｎｇ"［Ｏｎｌｉｎｅ］２００４，ＴＥＣＨＮＩＳＣＨＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＥＩＴ ＥＩＮＤＨＯＶＥＮ，ＥＩＮＤＨＯＶＥＮ，ＸＰ００２４８１６３８ Ｒｅｔｒｉｅｖｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ：ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ａｌｅｘａｎｄｒｉａ．ｔｕｅ．ｎｌ／ｅｘｔｒａ２／２００４１２８２１．ｐｄｆ＞［ｒｅｔｒｉｅｖｅｄ ｏｎ ２００８−０５−２６］ｃｈａｐｔｅｒｓ １．１，１．２，３．３．２，４．２，５．１，５．６，６，７ ＡＲＤＥＮＫＪＡＥＲ−ＬＡＲＳＥＮ Ｊ Ｈ ＥＴ ＡＬ："Ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｓｉｇｎａｌ−ｔｏ−ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ＞１０，０００ ｔｉｍｅｓ ｉｎ ｌｉｑｕｉｄ−ｓｔａｔｅ ＮＭＲ"ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳ ＯＦ ＴＨＥ ＮＡＴＩＯＮＡＬ−ＡＣＡＤＥＭＹ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥＳ ＯＦ ＵＳＡ，ＮＡＴＩＯＮＡＬ ＡＣＡＤＥＭＹ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥ，ＷＡＳＨＩＮＧＴＯＮ，ＤＣ，ｖｏｌ．１００，ｎｏ．１８，２ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ ２００３（２００３−０９−０２），ｐａｇｅｓ １０１５８−１０１６３，ＸＰ００２２８０２４４ ＩＳＳＮ：００２７−８４２４ ｃｈａｐｔｅｒ"Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ" Ｔａｎａｅｖａ，Ａ ａｎｄ Ａ．Ｔ．Ａ．Ｍ．ｄｅ Ｗａｅｌｅ，"Ｔｈｅ Ｓｕｐｅｒｆｌｕｉｄ Ｖｏｒｔｅｘ Ｃｏｏｌｅｒ"，ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＡＰＰＬＩＥＤ ＰＨＹＳＩＣＳ，９８，２００５，０３４９１１−１ ｔｏ ０３４９１１−８

本発明の第１の態様では、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）で使用される過分極試料を作製する装置が提供される。この装置は、選択材料の試料を分極するのに使用する無寒剤クライオスタット構造を含み、このクライオスタット構造は、真空排気されて真空領域を生成するように適合された中心開口部と、中心開口部に挿入され前記試料の選択温度に維持する冷却デバイスとを備える。

本発明の第２の態様では、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）で使用される過分極試料の作製方法が提供される。この方法は、選択材料の固体試料の分極に使用するクライオスタット構造を提供することを含み、このクライオスタット構造は、分極サブシステムを備え真空領域を生成するように構成された開口部と、開口部に挿入されて試料の選択された温度を維持する冷却デバイスとを含む。

本発明の上記その他の特徴、態様、および利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めば、より良く理解されるであろう。図面では、同様の記号は図面を通して同様の部品を指す。

本発明の実施形態を適用可能な例示のＭＲＩシステムおよび分極サブシステムを示す図である。 ＭＲＩで使用される過分極試料を作製するための当技術分野の現状のシステムを示す概略側面図である。 本発明の実施形態によるＭＲＩで使用される過分極試料を作製するためのシステムを示す概略側面図である。

図１を参照すると、ＭＲＩデバイスで使用される過分極試料を作製するための例示のシステム１５０が示されている。システム１５０は、クライオスタット１、および容器１１０からの材料を処理して過分極材料にするための分極サブシステム１００を備える。材料搬送ライン１２０は過分極材料をＭＲＩスキャナ１３０内の被験者１４０に搬送するために使用される。図１で示した実施形態では、過分極試料が生体内イメージング用途に使用される。理解されるように、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析について以下に記載する方法および技術を用いて過分極試料を作製することもできる。

本発明による方法およびデバイスでは、分極すべき試料の固体試料を、強い磁場（たとえば１〜２５Ｔ）内で低温（たとえば１００Ｋ未満）で維持しながら、たとえば強静磁場による（ｂｒｕｔｅ ｆｏｒｃｅ法）分極、動的核分極、またはスピン冷凍機法、など任意の適した周知の方法で、固体相のままで分極することができる。固体試料は、分極された後、分極損失を最小限に抑えて融解される。以下では、表現「融解手段」は、以下の、固体分極試料に十分なエネルギを与えて、試料を融解し、または他の方法で分極試料を溶液にして、撮像される被験者に導入することができるデバイスを指すと考えられたい。本明細書で使用されるように、用語「固体」は、撮像される被験者への導入に適した液体状態にするためにいくらか変化させる必要がある固体材料、半固体材料、またはその任意の組み合わせを指す。

大抵の固体試料では、緩和率（過分極した場合の分極損失）の値は、磁場強度の逆数の関数として急速に上昇する。したがって、こうした分極試料では、分極試料が処理中に強い（たとえば０．１Ｔより強い）磁場に保持されることが好ましい。たとえば磁場配向の急激な変化、強い磁場勾配、または高周波電界など、分極損失の他の理由も周知であり、これらをできるだけ回避すべきである。分極試料の融解を、たとえば超音波、マイクロ波加熱、レーザ照射、照射、または伝導、あるいは固体試料の融解に必要なエネルギを固体試料に与える任意の他の手段など、幾つかの方法によって促進することができる。温度および磁場の関数としての緩和率は、各固体試料、および溶媒／溶質系に特有のものである。したがって、融解される実際の試料の緩和が最小限に抑えられるように処理温度を最適化することが有利である。一般的であって常にではないが、磁場をできるだけ強くすべきである。処理中の最小Ｔ_１は、一般に磁場の増加とともに増加する。

当技術分野の現状のシステムの一実施形態が図２に概略的に示されている。図２は固体試料を分極するクライオスタットデバイス１の一例を示す図である。デバイス１には上記の固体分極試料融解手段が設けられている。（図で破線で囲まれて示された）デバイス１は、超電導磁石５など磁場発生手段で取り囲まれた中心開口部６内の、たとえば導波管３ｂでマイクロ波源３ｃに連結されたマイクロ波室３ａなど分極手段３を含むクライオスタット２を備える。クライオスタットおよび固体試料を分極する分極手段は周知であるため、その構造は詳細に記載しない。開口部６は、試料の分極が生じる、たとえば１〜２５Ｔまたはそれ以上、たとえば３．５Ｔなど、磁場強度が十分に強い超電導磁石５の付近の少なくとも領域Ｐの高さまで垂直に下方に延びる。中心開口部６はシール可能であり、低圧、たとえば約１ｍｂａｒ以下の圧力に真空排気することができる。取り外し可能な試料輸送管７など試料導入手段を開口部６内に収容し、この管７を開口部の頂部から領域Ｐにあるマイクロ波室３ａの内部の位置まで挿入することができる。領域Ｐは液体ヘリウムによってたとえば温度約０．１〜１０Ｋなど分極が生じるように十分低い温度に冷却される。さらに、ポンプ（図示せず）が領域Ｐ内の液体ヘリウムの量または所望の高さの維持に必要とされる。管７の上端を任意の適した方法でシールして、開口部６内に部分的真空を保持することができる。試料保持カップ９など試料保持容器を試料輸送管７の下端に取り外し可能に嵌合できることが好ましい。このカップ９は管７の底部を覆い、管７内に導入された試料を全て保持することが意図されたものである。カップ９は、好ましくは、たとえばポリスチレンまたはガラス系など、たとえばＰｙｒｅｘあるいはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）など、発泡プラスチックなど低比熱容量の軽量材料で作製され、カップ９の熱容量ができるだけ小さくなるようにする。（図を見やすくするために破線で示した）シール可能なＨｅ注入管１０は開口部６の頂部からカップ９の底部まで延びる。

さらに図２を参照すると、試料保持カップ９内の試料が通常の方法で分極され、次いで融解されて液体相になされる。この試料保持カップ９内での分極試料の融解は、分極試料がクライオスタットデバイス１の内部に存在する間に行われる。これは、たとえば超音波、電磁エネルギなど、エネルギを分極固体試料に与える手段を提供し、または固体分極試料を温かい表面または物質と接触させることによって行われる。図２で示したデバイスでは、試料保持カップ９内の試料に光ファイバ４を通して電磁放射する、クライオスタットの外部に取り付けられたレーザの形態の分極固体試料にエネルギを与える手段（図示せず）によって、固体分極試料が試料保持カップ９内で融解される。

デバイス１はさらに、試料保持カップ９から材料を抽出するための（以下に記載する構成要素を含むように破線で示された）抽出システム１００を備える。材料を抽出するための抽出システム１００は、開口部６内の抽出管１１に結合される。抽出管１１は、試料保持カップ９のベースの少し上から弁１４を介して溶解分極材料用ユニット１５まで延びる。弁１４は、手動または好ましくはコンピュータの制御下で開放されて、抽出管１１と溶解分極材料用ユニット１５の間の連通を可能にし、閉鎖されてこうした連通を阻止することができるようになされる。溶解分極材料用ユニット１５は中空体１６を有しており、ブレード１９を有する電気ナイフミキサーなど、混合、かき混ぜ、または撹拌手段１７など、固体の溶解速度を上げる手段をユニットに設けることができる。分極材料が接触する可能性がある全ての表面をコーティングして、分極された分子の常磁性鉄との接触が阻止されることが好ましい。溶解分極材料用ユニット１５は、永久磁石２０または電磁石などストレージ磁場を発生する手段で取り囲まれることが好ましい。表現「ストレージ磁場」は、溶解分極材料用ユニット１５内部の磁場強度が、材料が少なくとも数秒間、好ましくは数分間、過分極された状態で維持されるのに十分であることを指すものである。溶解分極材料用ユニット１５に、材料の溶解に適した溶媒２１を少なくとも部分的に充填することができる。真空源Ｖを溶解分極材料用ユニット１５に弁２３を介して連結可能することができる。弁２３はコンピュータ２８によってコンピュータ制御されることが好ましい。溶解材料用ユニットのベースは、弁２７が設けられた出口２５を備える。弁２７がコンピュータ制御されて、溶解分極材料用ユニット１５の内容物の排出が制御されることが好ましい。好ましくは、コンピュータ制御または他の方法による自動弁を使用することによって、弁の開閉のタイミングを正確に再現可能に制御することができるようにする。当然、操作者が、たとえば開始ボタンを押し、または開始コマンドをコンピュータに発行することによって、プロセスを開始することができる。

試料を分極する方法の一実施形態では、固体状態のままで分極された固体試料を融解する分極方法は、以下のステップを含む。急速かつ均一な融解を促進するには粉末、粒子、またはビードの形態が好ましいが、室温で液体の形態でも可能な試料が、試料輸送管７の底部にある試料保持カップ９内に導入されるステップ、試料輸送管７が開口部６内に導入されて、試料保持カップ９が必要な磁場強度の磁場に位置付けられ、開口部６が真空気密になされ、作動圧まで真空排気されるステップ、まだ固体の試料が分極され、好ましくは過分極されるステップ、および開口部６が大気圧まで加圧されるステップである。その後、分極された固体試料にエネルギを与える手段が作動され、エネルギが固体試料にたとえばレーザおよび光ファイバ（図示せず）によって与えられ、固体試料が融解される。適宜、たとえば包括的ＮＭＲ分析または生体内イメージング用途での最終使用の前に、分極された液体試料をＮＭＲによって分析するさらなるステップが実行される。

他の実施形態では、考えられる変形形態は、複数の試料ホルダをデバイスに組み込んで、幾つかの試料を同時または順次に分極し、１つずつ融解できるようにすることである。幾つかの試料が同時に融解され、分析されるシステムの使用も考えられる。当業者には明らかなように、複数の試料ホルダシステムを、たとえば円形コンベヤー型ホルダまたは把持型ホルダを使用するなど、多様な方法で作製することができる。

一実施形態では、ＮＭＲ機器に本発明によるデバイスを設けて、動的核分極（ＤＮＰ）による高分極の試料が作製可能な装置を作製することができる。そうするには、磁場に存在する低温空間をＮＭＲ機器に設ける必要がある。それを達成するため、適した大きい開口部径を有する任意の通常のＮＭＲ磁石にフロークライオスタットおよび以下に記載する機械一式を装備して、ＤＮＰで向上された核分極を有する分子の溶液を作製できるようにすることができる。フロ−クライオスタットは、一般に室温の開口部を有するように設計された磁石の開口部に挿入することができる真空絶縁室であり、それによって開口部の温度を冷寒剤の流れによって低下することができる。フロークライオスタットは通常、移送ラインによって外部寒剤供給部に連結され、フロークライオスタットへの寒剤の流れによって磁石の開口部が冷却され、低温空間が形成される。フロークライオスタットに以下に記載する手段を装備して、ＤＮＰによる固体試料の分極を可能にすることができ、以下に記載する固体状態および溶液の核信号検出用の機械一式を装備することができる。ＮＭＲ分析または過分極イメージング剤の作製専用ＤＮＰシステムでは、低温空間が磁石クライオスタットに統合されることが好ましいことを留意されたい。

他の実施形態では、レーザによる融解を方法の一例として選択することができる。出力１００Ｗのダイオードレーザ、または任意の他の周知のレーザ、あるいは光源が一般の市販製品である。これは、６．４ｍｓ、１Ｋから３００Ｋまでで水性試料１μｌ（約１ｍｇ）を要する。この一実施形態の一例では、固体状態で分極された固体試料を融解する方法は以下のステップを有する。試料は、急速かつ均一な融解を促進するには粉末、粒子、またはビードの形態が好ましいが、可能には比較的強度が低いレーザを使用すると、比例して融解時間が増加する。ダイオードレーザでは、こうしたパワーレベルでの幾つかの波長が使用可能であり、固体試料自体が光エネルギを吸収できることが好ましく、または固体試料に吸収分子をドープしてもよく、あるいは固体試料との界面に吸収材料をコーティングしてもよい。したがって、固体試料または固体試料を支持する板の吸収特性に合う波長を選択することができる。レーザエネルギの吸収が良好であり熱伝導率の低い試料板の材料が高い融解効率を得るのに好ましい。現在の制御されたミラーはレーザビームを制御することができ、または別法として、試料を移動させ、レーザを静止したままにすることもできる。

他の実施形態では、分極固体試料の融解が、分極固体試料を温かい液体と接触させることによって行われる。この実施形態によれば、この方法は、試料を、（たとえば寒剤で後に凍結する）液体またはたとえば粉末、ビードなど流動可能な固体として、毛管内の試料を受ける空間に注入または挿入することを含む。適宜、試料を受ける空間をソレノイドコイルで取り囲むことができる。毛管をクライオスタットに導入し、上記のように試料を凍結し分極することができる。分極後、熱い液体の体積を毛管を通して試料を受ける空間に注入し、固体試料を急速に融解することができる。別法として、試料を受ける空間を、熱い液体を充填することができる室または管材のコイルの形態の分極固体試料にエネルギを与える手段で取り囲み、熱接触させることもできる。こうすると、熱い液体から室の壁またはコイルを通して試料を受ける空間に伝達される熱エネルギによって、分極試料を融解することができる。それによって試料の希釈が回避される。注入された液体もソレノイドコイルに合う感受性の媒体として働くことが好ましい。融解され分極された試料をそのまま分析することができ、あるいは毛管の外の別個の分光またはイメージング領域に流し出すことができる。

レーザおよび熱い液体での加熱を記載したが、エネルギを与える任意の方法を使用することができ、試料に熱エネルギを与える源の組み合わせが実際に可能である。たとえば、レーザによる融解を電気加熱要素で助けることができる。核スピンに関して、時間スケールＴ１（または好ましくはそれ未満）で融解が起こることが重要である。融解中の分極損失は、９９％未満、好ましくは９０％未満、より好ましくは１０％未満であり、こうした様々なレベルの分極損失を分極固体試料の融解速度を調節することによって再現可能に得ることができる。試料へのエネルギの供給を調整して、融解後の試料の液体を維持し、融解した試料でイメージングを行うことができるようにすることも好ましい。

試料ホルダおよび適したマイクロ波構造体を冷空間に配置して、試料にマイクロ波を照射することができる。マイクロ波構造体は、（図２で示した）導波管または一組のファブリペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）ミラーの端部に取り付けたホーンアンテナまたは室でもよく、あるいは任意の他の適したマイクロ波照射構造体でもよい。マイクロ波構造体は、マイクロ波の共鳴室として働いて、マイクロ波構造体内のマイクロ波電界の強さを増強するように設計されることが好ましい。比較的低い周波数（約２００ＧＨｚ未満）の導波管を好都合に使用して、波を照射構造体に案内することができる。導波管の幾何形状および寸法はマイクロ波損失を低減するように選択される。導波管が低温空間への熱負荷をできるだけ低減するように設計され、たとえば銀メッキした薄い壁のステンレス鋼から作製できることが好ましい。波形導波管を使用することもできる。比較的高い周波数の擬似光学的方法を使用することもでき、マイクロ波をレンズおよびミラーで案内することができる。マイクロ波構造体は、試料を簡単に交換し、試料を効率的に冷却することができるようにする開口部部を有することが好ましい。たとえば、ＩＭＰＡＴＴダイオード発振器、またはＩＭＰＡＴＴ増幅Ｇｕｎｎ発振器、あるいはＢＷＯなど、適したマイクロ波発振器がマイクロ波を発振する。さらに、マイクロ波発振器は試料に照射するための共鳴構造体に統合された部分でもよい。したがって、マイクロ波を生成する活動デバイスを試料に近接する磁石に物理的に配置することによって、伝達損失を低減することができる。

ＮＭＲ検出は分析用途に特に望ましい。他の用途では、適宜、ＮＭＲ検出は核分極の手段を提供する。ＮＭＲ検出コイルは、たとえばソレノイドまたはサドル形など任意の周知の設計のものでもよい。通常、コイル（インダクタンス）は、コンデンサでＮＭＲ周波数に同調され、ケーブルに固有のインピーダンスに整合される。ＮＭＲコイルを幾つかの周波数に同調し整合して、１つ以上の核種のうちの対象の核を検出することができる。コンデンサを冷空間内のコイルに近接するように取り付けることができる。それによって、最大Ｑ値を得ることができるようになる。コンデンサをコイルに近接するように配置することが実際的でない場合、コンデンサを冷空間の外に置き、送電線で低温空間に接続することができる。送電線は同軸、撚線対、ストリップ線路、または任意の他の適したケーブルでもよい。冷空間への熱負荷と信号減衰の妥協点が選択される。幾つかのコイルも考えられる。コイルを２つのＮＭＲ周波数に同調することができ、二重共鳴ＮＭＲ（デカップリング、交差分極など）を固体状態と液体相の両方で行うことができるようになる。それによって、より多くの核を同時に検出することもできるようになる。その場合、分光計は複数の受信機を有する必要がある。適宜、様々な核のＮＭＲ信号を順次に獲得することができる。複数の試料を短期間で分析できるようにするには、試料を移動させる試料円形コンベヤー（図示せず）を設けることができる。さらに、固体試料の融解を光手段で検出して、再現可能なＮＭＲ分析を行うことができる。これは、適宜、ＮＭＲ分析室の内側または外側の光光検出手段を使用して検査することができる。対象の核の幾つかは非常に短いＴ_１値を有するため、融解工程が終了するとすぐに分析を行うことが重要である。したがって、対象の全ての核の同時の励磁／検出用に構成された手段を有することが好ましい。ＮＭＲ検出回路を冷却すると、より良好な信号対雑音比が得られる。また、信号増幅器の冷却も有利なことが多い。したがって、信号増幅器をＮＭＲ検出回路に近接して、好ましくは冷空間内に位置付けることができる。超電導コイルおよびＳＱＵＩＤ検出器は信号対雑音比の改善に使用可能な他のデバイスである。

図３を参照すると、本発明によるクライオスタット構造の一実施形態が示されている。本発明の一実施形態では、ＭＲＩで使用される過分極試料を作製する装置は、固体材料から過分極試料を作製する際に使用されるクライオスタット構造２００を備える。クライオスタット構造２００は開口部６を含み、図２を参照して記載したように、開口部６を真空排気して、真空環境を生成することができる。開口部６は試料輸送管７を収容するものでもあり、試料輸送管７は分極材料、好ましくは過分極材料を保持するための１つまたは複数の試料カップ９を備える。冷却デバイス２１０を開口部６内に試料輸送管７に近接するように挿入して、分極サブシステム内の選択された温度が維持されるようにする。この実施形態では、固体材料を分極する方法および技術は図２を参照して上記に記載した方法と同じであり、各図の参照番号に対応する記載も同じである。しかし図３で示したこの実施形態では、液体ヘリウムまたは他の同様の機能を果たす冷却液など冷却液を含む開口部６内部の領域を有する代わりに、クライオスタット構造２００は、開口部６、または適宜に開口部管６付近のクライオスタット真空内に挿入される冷却デバイス２１０を備える。冷却デバイス２１０は、コールドヘッドまたはコールドフィンガとして周知であり、開口部６に挿入される「コールドフィンガ」２１０と以下で全般的に呼ばれる、パルス管冷凍（ＰＴＲ）デバイスでもよい。他の実施形態では、コールドフィンガは単一状態（ｓｉｎｇｌｅ−ｓｔａｔｅ）ＰＴＲデバイスである。コールドフィンガ２１０を使用して、クライオスタット内をたとえば約１．２Ｋ未満など選択された温度に維持し、分極手段として働かせ、所望の温度が維持され、ＭＲＩシステムを使用するイメージングで使用する目的に合う分極材料の物理的特性が維持されるようにする。コールドフィンガ２１０は、ＰＴＲユニット、および開口部６に挿入するように全般的に垂直方向の管構造を備えるように構築される。本発明の一実施形態では、コールドフィンガ２１０は中心開口部６に垂直に挿入され、垂直方向に真空環境内で作動される。コールドフィンガ２１０は、約１．２Ｋ未満、すなわち試料をさらなるＭＲＩ用途での使用に必要な温度に維持することができる温度に冷却する力を生成するように選択された材料で構築される。現在使用可能な、多様な目的で使用されるコールドフィンガの設計は、一般にたとえばＮｄなど希土類材料が組み込まれたものである。しかし、Ｎｄは強い吸湿性があり、使用が難しく、そのｃｐ値は温度２Ｋ未満に達するのに有効ではない。ＧＡＰ（ガドリニウム アルミニウム ペロブスカイト）、ＧＯＳ（ガドリニウム アルミニウム スルフェート）、および他のセラミック型高ｃｐ蓄冷材の到来で、今や温度１．４ＫがＨｅ^３を使用する二段ステージ（ｄｕａｌ−ｓｔａｇｅ）の４ＫＰＴＲで達成されている。同様の高ｃｐ材料が断熱消磁冷凍（ＡＤＤ）システムでうまく使用されている。望ましくは、コールドフィンガ２１０の管構造が以下の、磁性蓄冷材、酸化物セラミックス蓄冷材、セラミック型高ｃｐ材から選択される蓄冷材などからなる。温度４Ｋ未満で高い比熱を有する他の材料には、たとえばｃｐ、ＧＧＧについてＪ／ｃｍ３Ｋでは、０．５ＫでＧＧＧ（Ｇｄ３Ｇａ５Ｏ１２）、２．５ＫでＤＡＧ（Ｄｙ３Ａ１５Ｏ１２）、３．５ＫでＤＡＰ（ＤｙＡｌＯ３）、３．８ＫでＧＡＰ（ＧｄＡｌＯ３）、並びにＴｂＧａＯ３、ＴｂＡｌＯ３、ＴｂＦｅＯ３、ＨｏＡｌＯ３、ＥｒＡｌＯ３、ＹｂＡｌＯ３、および他の４Ｋ未満でｃｐを有する希土類オルソアルミネートが含まれる。

他の実施形態では、コールドフィンガ２１０の基準温度は１．２Ｋ未満が望ましく、たとえば十分活用された場合に１．５Ｋと３．５Ｋの間でｃｐのピークをもたらすことができる蓄冷材としてＧｄ_１．５Ａｌ_０．５Ｏ３を含むことができる。様々なオリフィスの寸法またはニードル弁を使用して、コールドフィンガ上のガス流の周知の弁タイミングを最適化することによって、性能をさらに向上させることができる。また、温度範囲１から２Ｋ用の高効率熱交換器（図示せず）を使用して、コールドフィンガ２１０に含まれたＰＴＲの冷却力をさらに高めることができる。１Ｋ未満の比較的低温は、Ｄｅ Ｗａｅｌｅ、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ａｕｇｕｓｔ １、２００５“Ｔｈｅ Ｓｕｐｅｒｆｌｕｉｄ Ｖｏｒｔｅｘ Ｃｏｏｌｅｒ”に記載されているように、コールドフィンガの底部に周知の超流動Ｖｏｒｔｅｘ冷却ステージを追加することによって得られる。Ｄｅ Ｗａｅｌｅのデバイスでは、密閉されたデバイスの温度０．８７Ｋが得られた。

さらに図３を参照すると、過分極試料を作製するクライオスタット構造２００は、さらに、コールドフィンガ２１０に近接した第１または予冷ステージ２２０および第２の冷却ステージ２３０を備える。また、クライオスタット構造２００はさらに、冷却構造のベースとして働く冷却板２４０、および第１の冷却ステージ２２０と第２の冷却ステージ２３０の間に配置された中間冷却リンク２５０を備える。次に各構成要素を以下にさらに詳細に記載する。

一実施形態の第１または予冷ステージ２２０は、ＮＭＲシステムの磁石冷却システム２６０の冷却力から得られ、冷却がコールドフィンガ２１０に伝達される。磁石冷却システム２６０はコールドフィンガを第１のレベルの冷却温度にするための、４ＫＧＭ（Ｇｉｆｆｏｒｄ−ＭｃＭａｈｏｎピストン駆動式冷却器）、または同様のデバイス、あるいはパルス管冷却器型でもよい。磁石冷却システム２６０はさらに、冷却システムに給電するための外部の２ｋＷ以上の圧縮機（図示せず）を備える。コールドフィンガ２１０はしたがって、１つの周囲領域で予冷される。必要な予冷温度はあまり精密に調整されなくてもよく、コールドフィンガの性能に影響を与えずに、＋／−２０Ｋ変化してもよい。これはコールドフィンガの下端の温度である。

第２の冷却ステージ２３０は、冷却板２４０と中間冷却リンク２５０の間の領域を含み、予冷または第１の冷却ステージ２２０を超える追加の冷却力を提供して、試料９をたとえば約１．２Ｋなど目的の最終用途に望ましい温度にする。所望の場合は、４Ｋの磁石冷却システム２６０からの中間熱リンクをパルス管冷却器コールドフィンガ２１０に作製して、必要に応じて、追加の予冷ステージを提供し、試料の予冷を行うことができる。

冷却板２４０は、構成要素のベースに配置され、以下の高導電材料、たとえば銅またはアルミニウムを含むことができる。冷却リンク２５０は、磁石冷却システム２６０にリンクを提供し、所望の場合は取り外し可能かつ可撓性でもよい。ＰＴＲには可動ピストンが組み込まれていないため、ＰＴＲコールドフィンガ先端の底部に配置された冷却板は全く振動を受けない。

ＰＴＲコールドフィンガの外部駆動システム（図示せず）の弁タイミングなど、パルス管冷却器の動作特性をさらに向上させることによって、この温度達成の助けをすることができる。最適の弁タイミングおよびこのコールドフィンガの周波数は、最適化することができる４つの変数（蓄冷材イン／アウト、およびＰＴ１イン／アウト）に基づいて調整される。

上記のように、コールドフィンガ２１０は中心開口部６に近接した真空空間または適宜に開口部管６自体内に配置された２つの管からなる。コールドフィンガの蓄冷材管に使用されるセラミック型高ｃｐ材を、性能を劣化させずに磁石の開口部に近接するように配置することができる。隣接するパルス管は空であり、ガス状Ｈｅ^３だけが脈動される。

したがってこの実施形態では、コールドフィンガ２１０を使用することによって、「湿性」分極システムに対して寒剤を使用しないことができ、幾つかの利点がある。垂直方向に作動され、真空のみで作動される。したがって、コールドフィンガがガス状Ｈｅ環境で作動する場合と同様に、コールドフィンガの冷却力の低下を免れることができる。コールドフィンガの熱い上端は、コールドフィンガから抽出される単に数ワットの熱を放散しなければならない場所であり、通常、外部の強制的な流れによる空気冷却が不要な、溝付き熱交換器または電子機器の冷却に使用される市販のアルミニウムのひれ付き構造が必要である。それによって、駆動システムをＰＴＲ上端から物理的に分離させることもでき、周知の「分割」駆動システムになる。この駆動システムは、通常、ステッパー電動機または同期電動機によって駆動される回転弁であり、分極システムのＯＶＣ（外側真空ケース）の周囲の任意の便利な位置に配置することができる。コールドフィンガで使用可能な中間セクションも隣接する４ＫＧＭ冷却器または４ＫＰＴＲ冷却器から十分に冷却されて、４ＫＧＭ冷却器または４ＫＰＴＲ冷却器の冷却力を損なわずに、コールドフィンガの全体性能が最大化される。ＧＭ冷却器への熱リンクを頑強かつ確実なものに作製し、また所望の場合は取り外し可能に可撓性にすることもできる。

有利には、本発明の実施形態には幾つかの利点がある。たとえば、クライオスタット構造をさらに単純化し、ユーザが低温液体を扱う必要を省く。これはこのシステムが臨床場所に配置される場合は特に重要である。また、磁石が正常に働くことによる急激なエネルギの放出がコールドフィンガに影響を与えることがなく、ヘリウムガスが放出されたり失われたりしない。さらに、ヘリウム−ＩＩ容器が存在しないため、Ｈｅ−ＩＩクリープも起こらない。他の利点は、温度を１．２Ｋに下げるのに必要な熱スイッチ、およびソープションポンプ、並びに他の構成要素も不要であり、したがって、構造が単純化され、空間要件が超小型ＮＭＲユニットに向けて最小化される他に、さらなる雑音源も低減される。たとえば、コールドフィンガはシステムに追加の雑音を導入せず、ＧＭとＰＴＲのハイブリット、またはＰＴＲとＰＴＲのハイブリットが互いに共存する。ＧＭが磁石冷却システムとして選択される場合、第１ステージのＧＭ接触が柔軟になされるため、コールドフィンガから振動が引き起こされない。ピルベート経路に沿って試料を一時的に熱駐留（ｈｅａｔ ｓｔａｔｉｏｎｉｎｇ）するための十分な空間も存在する。熱駐留は、中間４Ｋステージで、４ＫＧＭ冷却器２６０の第１の冷却ステージ２２０と最後の冷却板上のコールドフィンガ２１０の先端に近い場所との間のリンクプラットフォームで起こる可能性がある。Ｈｅ３は望ましくは圧縮器で使用される。しかし、２ｋＷ圧縮器の充填に必要とされるＨｅ３の体積は小さい。

本発明の幾つかの特徴だけを図で示し、本明細書に記載したが、当業者は多くの修正および変更を思いつくであろう。したがって理解されるように、添付の特許請求の範囲はこうした変更および修正を全て本発明の真の精神に包含するものである。

１ デバイス
２ クライオスタット
３ 分極手段
３ａ マイクロ波室
３ｂ 導波管
３ｃ マイクロ波源
４ 光ファイバ
５ 超伝導磁石
６ 中心開口部
７ 試料輸送管
９ 試料保持カップ
１０ Ｈｅ注入管
１１ 抽出管
１４、２３、２７ 弁
１５ 溶解分極材料用ユニット
１６ 中空体
１７ 撹拌手段
１９ ブレード
２０ 永久磁石
２１ 溶媒
２５ 出口
２８ コンピュータ
１００ 分極サブシステム、抽出システム
１１０ 容器
１２０ 材料搬送ライン
１３０ スキャナ
１４０ 被験者
１５０ システム
２００ クライオスタット構造
２１０ 冷却デバイス、コールドフィンガ
２２０ 第１の冷却ステージ、予冷ステージ
２３０ 第２の冷却ステージ
２４０ 冷却板
２５０ 中間冷却リンク
２６０ 磁石冷却システム

Claims (27)

1. 核磁気共鳴（ＮＭＲ）または磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）システムで使用される過分極試料を作製する装置であって、
   選択された材料の試料の分極に使用される無寒剤クライオスタット構造を具備し、このクライオスタット構造が
   真空排気された真空領域を生成するように適合された中心開口部と、
   前記中心開口部に挿入され、前記試料を選択した温度に維持する冷却デバイスとを備える、装置。
2. 前記冷却デバイスが、コールドヘッドデバイス、コールドフィンガ、蓄冷材で構築されたデバイス、およびその組み合わせからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 前記蓄冷材が１．２Ｋ未満に冷却する力を生成するように選択された材料で構築されることを特徴とする請求項２記載の装置。
4. 前記コールドフィンガの先端に取り付けられて温度１Ｋ未満に冷却する力をもたらす密閉されたボルテックス型冷却器をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の装置。
5. 前記蓄冷材が、磁性蓄冷材、酸化物セラミックス蓄冷材、セラミック型高ｃｐ材、およびその組み合わせからなるグループから選択されることを特徴とする請求項３記載の装置。
6. 前記冷却デバイスがＧＤ_１．５Ａｌ_０．５Ｏ_３で構築された冷却器であることを特徴とする請求項１記載の装置。
7. 前記クライオスタット構造がさらに、
   前記開口部を取り囲む磁場発生デバイスを備え、前記磁場発生デバイスが前記分極システム内に選択された磁場を維持するように構成されることを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 前記中心開口部が真空領域を生成するためにシール可能であることを特徴とする請求項１記載の装置。
9. 前記過分極試料が核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析に使用されることを特徴とする請求項１記載の装置。
10. 前記過分極試料が生体内ＭＲイメージング用途に使用されることを特徴とする請求項１記載の装置。
11. 前記過分極試料が最終使用の前にＮＭＲを使用して分析されることを特徴とする請求項１記載の装置。
12. 前記試料の段階的冷却を行うための第１の冷却ステージおよび第２の冷却ステージをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
13. 前記第１の冷却ステージがＮＭＲシステムの冷却器を備えることを特徴とする請求項１２記載の装置。
14. 前記第２の冷却ステージが、
    冷却板と、
    ＭＲＩシステムの磁石冷却システムへの冷却リンクとを備え、前記冷却板および冷却リンクが前記選択された材料を所望の温度にするための追加の冷却を行うことを特徴とする請求項１２記載の装置。
15. 磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）または核磁気共鳴（ＮＭＲ）システムのうちの１つで使用される過分極試料を作製する方法であって、
    選択された材料の固体試料の分極に使用されるクライオスタット構造を提供することを含み、前記クライオスタット構造が、
    分極サブシステムを含み、真空領域を生成するように構成された開口部と、
    前記開口部内または適宜に前記開口部に隣接するように挿入されて、前記試料を選択された温度に維持する冷却デバイスとを備える、方法。
16. 前記冷却デバイスが、二段ステージ・コールドヘッドデバイス、コールドフィンガ、蓄冷材で構築されたデバイス、およびその組み合わせからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 前記蓄冷材が１．２Ｋ未満に冷却する力を生成するように選択された材料で構築されることを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 前記蓄冷材が、磁性蓄冷材、酸化物セラミックス蓄冷材、セラミック型高ｃｐ材、およびその組み合わせからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１７記載の方法。
19. 前記冷却デバイスがＧＤ_１．５Ａｌ_０．５Ｏ_３で構築された冷却器であることを特徴とする請求項１５記載の方法。
20. 前記クライオスタット構造がさらに、
    前記開口部を取り囲む磁場発生デバイスを備え、前記磁場発生デバイスが前記分極システム内に選択された磁場を維持するように構成されることを特徴とする請求項１５記載の方法。
21. 前記開口部を排気し、シールして、前記真空領域を生成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
22. 核磁気共鳴（ＮＭＲ）分析デバイスを使用して前記過分極試料を分析するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
23. 前記過分極試料を生体内ＭＲイメージング用途のために被験者に投与するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
24. 前記クライオスタット構造が前記試料の段階的冷却を行うための第１の冷却ステージおよび第２の冷却ステージをさらに含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
25. 前記第１の冷却ステージが、前記ＮＭＲシステムの超導電磁石を取り囲む熱シールドを冷却し、前記冷却デバイスを予冷するための前記ＮＭＲシステムの冷却器を備えることを特徴とする請求項２４記載の方法。
26. 前記第２の冷却ステージが前記超導電磁石を冷却するための前記ＮＭＲシステムの冷却器を備えることを特徴とする請求項２５記載の方法。
27. 核磁気共鳴（ＮＭＲ）で使用される過分極試料を作製する装置であって、
    選択された材料の試料の分極に使用される無寒剤クライオスタット構造を備え、前記クライオスタット構造が
    真空排気されて真空領域を生成するように適合された中心開口部と、
    前記中心開口部に近接したＮＭＲ真空空間内に挿入される冷却器とを備える、装置。

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