JP2010523204A - 高度なｍｒ技法向けに材料を過分極化するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒消費を最小限にするまたは排除すると共に、エネルギー効率をよくした過分極化システムを提供する。
【解決手段】磁気共鳴（ＭＲ）を利用する技法で用いるために材料を分極させるシステムを提供する。本分極器システムは、物質の分極に用いるためにその内部に極低温冷凍剤を有する冷却用チェンバを含む。冷却用チェンバに対して、サンプルの過分極化を可能にするように圧力を低下させるための収着ポンプを接続している。この収着ポンプは、収着ポンプ内の分子吸着を促進するために冷凍システムによって冷却される。これら冷却用チェンバ、収着ポンプ及び冷凍システムは閉鎖システム内に配列されている。
【選択図】図１

Description

本発明は全般的には、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）で使用するようにサンプルを分極させるための方法及び装置に関する。

本発明は、核磁気共鳴（ＮＭＲ）解析、具体的には核磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）及び分析的高分解能ＮＭＲ分光法に関する。ＭＲＩは、それが非侵襲的であり、かつ検査対象患者をＸ線などからの強力な何かに曝露させることを要しないため、医師にとって特に魅力的な診断技法となっている。分析的高分解能ＮＭＲ分光法は、分子構造の決定においてルーチンで使用される。

ＭＲＩとＮＭＲ分光法では、典型的に使用されるコントラスト薬剤の核スピンの分極が通常非常に低いためある程度の感度不足となる。核スピンの分極を向上させるような数多くの技法が存在している。これらの技法は過分極技法と呼ばれており、感度の上昇につながる。過分極技法では、撮像薬剤（例えば、^１３Ｃ_１ピルビン酸塩や別の薬剤など）のサンプルが、撮像対象内に導入または注入される。本明細書で使用する場合に「分極する（ｐｏｌａｒｉｚｅ）」という用語はＭＲＩでさらに使用するための薬剤の核スピンに対する整列を意味している。さらに本明細書で使用する場合に「過分極した（ｈｙｐｅｒｐｏｌａｒｉｚｅｄ）」という用語は、１Ｔにおいて室温で見出されるレベルを超えたあるレベルまで分極されていることを意味している（これについてはさらに、米国特許第６，４６６，８１４号に記載されている）。

多くの例では、撮像薬剤はその最終用途地のごく近傍にある装置内においてこの過分極を受けている。このことは、スピンを緩和させて熱平衡分極に戻すまでの分極寿命（縦緩和時間Ｔ１）が通常短いことに由来する。核スピンを分極させるためのこうした技法の１つでは、スピンを固体状態で分極させる動的核分極（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｎｕｃｌｅａｒ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を用いる。過分極化したサンプルを作成するのに用いられる装置には、磁場内にある低温度空間が設けられている。この装置は典型的な構造では、マグネットのボア内に挿入された真空断熱チェンバを含むフロークライオスタットを装備している。外部の冷媒源により提供される低温冷媒ストリームを転送ライン及びポンピングデバイスに通過させることによってこのクライオスタットが冷却されると共に、フロークライオスタット内への冷媒フローによってマグネットのボアが冷却されて低温度空間が形成される。

低温冷媒ストリームを提供するために目下のところ用いられているポンピングデバイスは、多くの理由から臨床現場での使用に望ましくない開サイクルポンピングシステムである。先ず、開サイクルポンピングシステムは大型であり、かつ発生させるノイズのレベルが高い。さらに開サイクルポンピングシステムは、ポンピング過程で大量の冷媒が消費されるため高価でありかつ動作が面倒である。すなわち、フロークライオスタットに低温冷媒ストリームを提供するためには、液体冷媒の相当に多くの部分が気化される。開サイクルポンピングシステムでは、この気化した冷媒の大部分は再利用することができない。したがって、サンプルを過分極化するために大量の冷媒が必要であり、このことがシステムの動作コストを大きく上昇させる。

ポンピングシステムの動作コストの上昇に加えて、開サイクルポンピングシステムにおいて気化冷媒の再利用ができないことがシステム全体を非効率にもさせている。すなわち、各撮像薬剤サンプルの過分極化に関連する冷媒ロスのために、開サイクルポンピングシステムの連続動作が不可能である。したがって、開サイクルシステムの連続動作は中間リザーバ内に冷媒を定常的に満たすことによってのみ達成される。

米国特許第６，４６６，８１４号 ＷＯ ２００５／１１４２４４ Ａ ＷＯ ２００６／０１１８１０ Ａ ＷＯ ０２／３７１３２ Ａ ＷＯ ０１／９６０２０ Ａ

したがって、現在の過分極化システムは非効率でありかつ動作のための費用が高い。したがって、冷媒消費を最小限にするまたは排除すると共に、エネルギー効率をよくした過分極化システムが必要とされている。さらに、周囲環境に対する破壊を最小限にする方式で動作し、かつ過分極化した撮像薬剤サンプルの作成を増加させるためにオペレータが液体冷媒を扱うことを要さずにより連続的な動作が可能であるような改良型の過分極化システムを設計することが望ましい。

本発明は、磁気共鳴システムで使用するように過分極化サンプルを作成するための装置及び方法を提供することによって上述の欠点を克服するものである。過分極化のための閉鎖システムを生成するために装置内に収着ポンプを組み込んでいる。

本発明の一態様では、磁気共鳴技法を強化するのに用いられる物質を過分極化するための装置は、物質の分極に用いるためにその内部に極低温冷凍剤を有する冷却用チェンバと、冷却用チェンバと接続されたその内部の圧力を調整し低温度を生成させるための収着ポンプと、収着ポンプを冷却しその内部の分子吸着を促進するための冷凍システムと、を含む。冷却用チェンバ、収着ポンプ及び冷凍システムは閉鎖システム内に配列されている。

本発明の別の態様では、磁気共鳴（ＭＲ）撮像で使用するように材料を分極させるための分極器システムは、その内部に液体ヘリウム浴を有するコンテナであって、分極させようとする材料が該液体ヘリウム浴内に位置決めされているコンテナを含む。本分極器システムはさらに、コンテナ内の圧力を低下させこれにより液体ヘリウム浴の一部分を蒸発させるための収着ポンプと、収着ポンプを冷却しその内部の分子吸着を促進するための冷却システムと、収着ポンプに対して選択的冷却を提供するように収着ポンプと冷却システムを選択的に接続するための熱伝導性リンクと、を含む。本分極器システムは、冷却ユニットへの収着ポンプの接続に基づいて分極フェーズと再加熱フェーズの間で交替するような閉サイクル型熱サイクルで動作する。

本発明のさらに別の態様では、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）や核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光システムで使用するように過分極化材料を作成するための方法は、液体ヘリウム浴を包含する容器内に材料を配置する工程を含む。本方法はさらに、収着ポンプによって液体ヘリウム浴の温度を低下させる工程と、液体ヘリウム浴が十分に冷却されたときに材料を分極させる工程と、を含む。

本発明に関する別の様々な特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から明らかとなろう。

図面では、本発明を実施するために目下のところ企図される一実施形態を図示している。

本発明の一実施形態による材料を過分極させるための装置のブロック概要図である。 本発明の一実施形態によるサンプル経路及び保持用コンテナ配列の断面図である。 本発明の別の実施形態によるサンプル経路及び保持用コンテナ配列の断面図である。 本発明の別の実施形態によるサンプル経路及び保持用コンテナ配列の断面図である。 本発明の一実施形態による収着ポンプの断面図である。

図１を参照すると、核磁気共鳴（ＮＭＲ）や磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）で使用するように材料を過分極させる装置を表している。分極器システム１０は、ＭＲＩで用いるための撮像薬剤のサンプルを過分極するように構成された閉サイクル型熱システムである。例えばサンプルは、^１３Ｃ_１−ピルビン酸塩や分極が可能な別の薬剤から構成することが可能である。分極器システム１０はその一部が、システムの内部構成要素を囲繞する真空チェンバ１２により形成されている。分極器システム１０はさらに真空チェンバ１２の内部に熱シールド１６を含む。熱シールド１６は分極器システム１０の主構成要素を囲繞すると共に、これらの構成要素に対する放射熱負荷を低減するように機能する。一実施形態では、熱シールド１６がアルミニウムから構成されており、多層隔絶（ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ：ＭＬＩ）など隔絶性が高い材料からなる２０以上の層から構成されている。

分極器システムのための冷却システムとして機能するように冷凍機１４も含まれており、これはよく知られておりＭＲＩマグネット上でよく使用されている多くの冷凍機（コールドヘッドやクライオクーラ）の中から選択することができる。冷凍機１４は少なくともその一部が、真空チェンバ１２の外部に位置決めされる。こうした構成によって冷凍機１４が発生させた熱を真空チェンバ１２の内部ではなく周辺環境内に放出することが可能となる。

一実施形態では冷凍機１４は、１０Ｋ未満の低温度環境の提供が可能な閉サイクル冷凍機である。冷凍機１４向けに別の真空エンクロージャ１８が設けられている。冷凍機自体は移動式スリーブ２０の内部で、冷凍機１４のその内部での垂直移動を可能とするように垂直の向きで装着されている。冷凍機１４はさらに、現場サービスに関して特徴的である。すなわちそのクライオスタット設計は、サービスエンジニアによる冷凍機の交換やサービスを可能とさせるような時間での冷凍機１４の切り替え及び取り外しを可能とさせるものである。分極器システム１０はこうした手順に対応しており、冷凍機を停止させている間もある期間内は動作を継続するように構成されている。

さらに図１を参照すると、分極させようとする物質や材料（例えば、^１３Ｃ_１−ピルビン酸塩）（以下では、サンプル２２と呼ぶ）は、過分極化のために真空チェンバ１２の内部に位置決めされる。サンプル２２の過分極化を可能とするために、サンプルはその内部に極低温冷凍剤２６を有するコンテナ２４内に配置される。一実施形態ではその極低温冷凍剤は、サンプル２２の少なくとも一部分をその中に浸漬させる液体ヘリウム浴２６の形態をしている。コンテナ２４は封止可能であると共に、低い圧力（例えば、概ね１ｍｂａｒ以下の圧力）まで排気させることが可能である（これについては、以下でさらに詳細に説明することにする）。サンプル２２の過分極化を可能とするために、液体ヘリウム浴２６の温度は適当な温度（例えば、４．２Ｋ未満、また好ましくは１．５Ｋ未満の温度）まで低下させている。次いでサンプル２２は、過分極化を実現するためにコンテナ２４の周りに位置決めされた磁場生成デバイス２８による適当な磁場内に置かれる。

サンプル２２は、前置チェンバ３２（すなわち、エアーロック（ａｉｒ ｌｏｃｋ））を通過するサンプル経路３０によって分極器システム１０内に導入される。前置チェンバ３２の目的は、サンプル２２の導入中におけるサンプル経路３０の汚染を防止すること、さらにはサンプル経路３０上の真空の破壊を不要にすることである。本技術分野における既存の分極器システムでは、サンプル経路に対してヘリウムガスによって大気圧まで圧力をかけているが、このことはサンプル経路圧力を大気圧にすることが液体ヘリウム浴に対するかなりの熱負荷となると共に、浴の温度の一過性の上昇（すなわち、スループットの低下）をもたらすため既存の分極器の大きな限界となっている。本発明の一実施形態では前置チェンバ３２は、ゲートバルブ３４によって真空チェンバ１２から、また封止キャップ３６によって大気から隔絶されている。次いで、サンプル２２を導入し終えた後で前置チェンバ３２は、数サイクルにわたって排気を受けかつヘリウムガスによって押し流して、気体（及び、湿気）をすべて排除し排気することができる。したがって前置チェンバ３２によって液体ヘリウム浴２６に対する熱負荷が軽減される。前置チェンバ３２の具体的な設計は、サンプル２２の幾何学構成に基づいて様々となり、これに応じて当業者に周知の方法で設計することが可能である。

ここで図２を参照すると、サンプル経路３０、並びにサンプル２２に対して露出したその内表面は、製薬装置においてルーチンで用いられる材料から製作されると共に、その工業標準に準拠すべきである。サンプル経路３０の一部分は、滅菌フィルタを通して供給された液体ヘリウムで満たし、このエリアにおけるバイオバーデンを最小限にすることができる。サンプル経路３０はさらに、サンプル２２がヘリウム浴２６に導入される前にサンプル２２の熱を冷凍機１４に導く目的に資する平衡器３８を有することにおいて特徴的である。サンプル２２の潜熱は、システムの保持時間を大幅に短縮させるようなヘリウム浴２６に対する非常に大きな熱負荷となっている。サンプル２２の熱容量特性に応じて、このエネルギーは容易に予測可能かつ／または計測されると共に、平衡器３８内に配置させるのに要する時間はサンプル２２に関するサンプルから平衡器３８への熱伝導率、並びに平衡器３８からの熱伝導率に依存する。上述のパラメータ並びにサンプル２２が浴２６に入ることを許容する温度に基づいて最適化設計を実施することが可能である。当業者によれば平衡器３８を幾つかの方式で設計することが可能である。主たる特性は、浴２６に対する伝導率が低いこと、並びにサンプル２２から冷凍機１４への伝導率が良好なことである。サンプル２２からの良好な伝導率は、サンプル２２と高伝導率材料の間の良好な物理的接触によって得ることが可能であるが、多くの場合においてサンプル経路３０内に存在するヘリウムガスは十分な交換気体の役割をすると共に、サンプル２２から平衡器３８の壁に熱を効率よく伝達させる。

サンプル経路３０にはまた、融解過程においてサンプルに熱を提供する手段や、融解中にサンプルを機械的に攪拌するための手段を装備することが可能である。一実施形態では、サンプル２２を所望の状態まで過分極化させた後で、サンプル２２は加熱した溶剤をサンプル中に通過させることによって融解されると共に、分極器システム１０からサンプル経路３０を介して所望の箇所／ユーザまでこれを移動させている。ここで図３を参照して別の実施形態では、サンプル２２を機械的に攪拌するための手段は、溶剤を活発に攪拌させて融解を容易にする超音波送信器４０である。ソニケータ探触子４２によってサンプル経路３０に沿ってサンプル内に超音波バーストが送られており、これによって固体のサンプルが壊されると共に、融解されたサンプル及び溶剤がサンプル経路３０に戻るように周囲環境に圧力が加えられる。この超音波は同時に溶液中の熱を放散させる。加熱された溶剤及び超音波についてサンプルに対するエネルギー提供手段として記載してきたが、エネルギーを提供するには赤外放射やマイクロ波エネルギーなど別の方法／機構も実現可能であることも想起される。

再度図１を参照すると、サンプル２２は最終的に、コンテナ２４の液体ヘリウム浴２６と熱的に接触させた保持用コンテナ４４内に位置決めされる。サンプル２２は、保持用コンテナ４４の内部にこれを位置させることによって液体ヘリウム浴２６から分離されている。保持用コンテナ４４内へのサンプル２２のこうした配置によって分極器システム１０の寿命が長くなると共にシステム効率が向上しており、サンプルの装填によって分極器システム１０内に汚染が不可避的に導入されるにしても、これによって分極器システム内の収着ポンプ４６の動作が実現されることになる。収着ポンプ４６は汚染の影響を受けやすくまた容易に回復することができないため、保持用コンテナ４４内にサンプル２２を配置することは液体ヘリウム浴２６内へのこうした汚染の進入を防止するのに役立つ。

ここで図３を参照すると、保持用コンテナ４４は温度勾配を最小限にさせるように高い熱伝導率を有する共通壁４７によって液体ヘリウム浴２６と熱的に接触させている。保持用コンテナ４４を液体ヘリウム浴２６に浸漬させない場合、保持用コンテナ４４からこれに沿って浴２６内まで延びる銅製のテール（ｔａｉｌ）またはフィン４９によってこれらを熱的に接触させて配置することも可能である。保持用コンテナ４４はさらに、その一部を液体ヘリウムによって満たすことが可能である。こうした構成では、液体ヘリウムがサンプル２２から保持用コンテナの壁４６への、また最終的にはコンテナ２４のヘリウム浴２６内への良好な熱伝導体の役割をしている。一実施形態では、非常に高い熱伝導率を有する超流動体ヘリウムも、マイクロ波照射システム（図示せず）がその内部に導かれたサンプル２２から離れるように放散マイクロ波エネルギーを伝導させる役割をする。

保持用コンテナ４４内部に液体ヘリウムを必要とするか否かは任意選択であり、マイクロ波照射システムの設計、サンプル特性、サンプル２２に対する熱的接触に依存することになる。液体ヘリウムを満たすのではなく、保持用コンテナ４４をヘリウムガスで満たすことも想起される。サンプル２２を冷却するために保持用コンテナ４４内部にヘリウムガスを使用すると、この分量のヘリウムを例えばヘリウムガスシリンダから適宜気化させたり再凝縮させたりすることができるため望ましい。さらにこのヘリウムガスでは、ヘリウムのラムダ点より上での動作の場合にヘリウム浴からの膜流（ｆｉｌｍ ｆｌｏｗ）が低下することによって分極器システム１０の冷媒性能の改善を得ることができる。

マイクロ波をサンプル２２に集束させてそこに閉じ込めその効率のよい分極を提供するためには、その保持用コンテナ４４は導波路４８をまた任意選択ではサンプルカップ５０を含むマイクロ波閉じ込め機構を包含する。このマイクロ波閉じ込め機構は、ＤＮＰ過程において要求されるマイクロ波エネルギー（マイクロ波磁場）を送達させるような方式で設計される。例えば分極のための磁場が１〜２０Ｔの範囲で選択されるならば、マイクロ波場はｇ＝２の常磁性薬剤について３〜５６０ＧＨｚの範囲内に来ることになる。図１に示した導波路４８の実施形態では、サンプル２２を照射するマイクロ波はサンプル経路３０の周りを下に延びて保持用コンテナ４４と接続している導波路４８によってサンプル内に送られる。図３に示すように別の実施形態では、サンプル２２を照射するように導波路４８と円錐ホーン５２がサンプルカップ５０に合わせて形成されている。導波路４８はその内部に、ポリマー、クウォーツまたはサファイアの窓から製作可能な真空気密封止５４を包含していると共に、さらにサンプル経路３０の内部にサンプル経路に沿って保持用コンテナ４４内へ下る熱伝達を低減するような適当な位置にバッフル５６を包含している。図３では導波路４８は、サンプル２２の過分極化が達成された後でかつサンプルの所望の融解が実施される前にサンプル経路３０から取外し可能である。

さらに図３を参照すると、導波路４８はマイクロ波をサンプル２２内に導くためにその低い側の端部においてサンプルカップ５０と接続している。サンプルカップ５０は、このマイクロ波をサンプルに閉じ込めている薄層金属の壁５７及び底表面を有する。このサンプルカップは、サンプルのピルビン酸塩や融解中にサンプルの融解に使用される溶剤と反応を起こさないようにチタンや金、あるいは別の金属材料からなることが好ましい。さらに、金属製のサンプルカップ５７の内部にはサンプルと金属の間の接触を防止するためにプラスチック製内側シェル５８を含めることが可能であることが想起される。プラスチック製内側シェル５８はさらにサンプルカップ５０の熱伝導率に影響を及ぼすことになるため、内側プラスチック製シェル５８を含めるか否かもまた、保持用コンテナ４４内部での液体ヘリウムか気体ヘリウムかの選択、並びにサンプルカップとヘリウムの間の所望の熱伝達量に依存することがある。導波路４８及びサンプルカップ５０の配列は、マイクロ波送達システムにおけるロスが大きいほどより強力なマイクロ波源が必要となるため、ロスを最小限にすると共にサンプルに対して最大のマイクロ波エネルギーが送達されるように設計されている。さらに、マイクロ波送達システムはマイクロ波が全部サンプル２２に閉じ込められるようにサンプル２２の一部分とすることが想起される。

一実施形態では、保持用コンテナ４４の全体構造内にさらにＮＭＲコイル６０を含めている。ＮＭＲコイル６０は任意選択であるが、サンプル２２の分極レベルを計測するＲＦパルスを生成することによってＤＮＰ分極過程の間及びＤＮＰ分極過程後における核分極の計測手段を提供することができる。ＮＭＲコイル６０に関する多くの配列については当技術分野で周知であり、また好ましい一実施形態では、ＮＭＲコイル６０はマイクロ波閉じ込め機構の外部に位置決めされる。ＮＭＲコイル６０は、サドルコイル、Ｈｅｌｍｈｏｌｚコイル、バードケージコイル、あるいは周知の別の任意の設計とすることができる。ＮＭＲコイル６０は、例えば同軸ケーブル６２や適当な別の無線周波数ケーブルによって真空チェンバ１２の外部と接続させている。一実施形態ではそのＮＭＲコイル６０が保持用コンテナ４４の内部に位置決めされている、ただしＮＭＲコイル６０は保持用コンテナ４４の外部にも位置決めし得ることが想起される。保持用コンテナ４４の壁はロスを最小限にし無線周波数の貫通を保証するような方式のスリットを入れることができる。すなわち保持用コンテナ４４はその一部が銅で形成されると共に、その内部にＲＦ信号を貫通させると共にプラスチック製内側シェル６４を含めて封止された保持用コンテナ４４を提供できるように所望によりこれにスリットを入れることが可能である。さらにＲＦ信号をサンプル２２内に貫通できるようにするために、サンプルカップ５０の壁厚は、ＲＦ波が金属製のサンプルカップにより大きく減衰を受けないような所望の範囲内に保たれる。

ここで図４を参照すると、一実施形態では、サンプル経路３０はマグネットの通電停止やクライオスタット真空の中断を生じることなく現場で取外し可能とするように構成される。これによって分極器システム１０に対する定期的な現場サービスを可能としながら、その動作の中断を最小限にすることができる。サンプル経路３０は、電気的や機械的要因によるＮＭＲコイル６０や導波路４８伝送システム（図１参照）の障害、標準の動作手順では除去不可能な空気の移入によるサンプル経路３０の汚染、あるいは過程の任意の段階におけるサンプル２２の損傷など多くの理由から現場サービスが必要となる可能性がある。着脱可能なサンプル経路３０はステンレス鋼スリーブ６６内に装着されており、このステンレス鋼スリーブ６６はサンプル経路真空を残りのクライオスタット真空１２から分離していると共に、インジウムガスケット６８を介して保持用コンテナ４４に対して封止されてスリーブ６６の排気を可能にしている。このためサンプル経路３０を取り外すために分極器システム１０の残りの部分の動作を中断させずにサンプル経路真空を中断させることが可能となる。サンプル経路３０はさらに、標準的な真空技法により封止されたボルト式室温フランジ（図示せず）を含む。さらに、着脱可能なサンプル経路３０のためには別の構成も実現可能であることが想起される。

再度図１を参照すると、コンテナ２４及び液体ヘリウム浴２６の周りに位置決めされた磁場生成デバイス２８の一実施形態を表している。磁場生成デバイス２８は、コンテナ２４を内部に配置するためにその中を貫通するボアを有する超伝導マグネットである。超伝導マグネット２８は、サンプル２２の過分極化を生じさせるように例えば１〜２５Ｔ以上（例えば、３．５Ｔ）の十分に高い磁場強度を生成することが可能である。超伝導マグネット２８の効率よい動作を保証するために、このマグネットは冷却を提供するための液体ヘリウムを包含した容器７０内に封入される。一方この液体ヘリウムは、サーマルバス７２によりマグネット２８に接続された冷凍機１４によって冷却を受ける。マグネット２８は凝縮器７４を介してサーマルバス７２に接続されており、これが冷凍機により冷却される超伝導マグネットの標準的な構成である。凝縮器７４は、マグネット２８に対する熱負荷によって気化するヘリウムガスをすべてマグネット容器７０内に再凝縮させる。冷凍機１４に対するサービスのために分離させている場合や電力障害が発生している場合、サーマルバス７２は温まることになる。これに応じて凝縮器７４をマグネット２８から隔絶させ、これによって冷凍機１４により冷却されなくともマグネット２８が耐えられる時間を最大化されると共に、冷媒のクエンチまたはロスが防止される。さらに、マグネット２８はドライになる（すなわち、液体ヘリウムがなくなる）可能性があるが、それでもマグネットは冷凍機１４がオフになっている場合にその超伝導特性をある短い時間だけは（すなわち、マグネットがその超伝導温度を超えて暖められるまで）維持することになることが想起される。

マグネット２８は冷凍機１４へのマグネットからの熱負荷を最小限にするように準大気圧（ｓｕｂ−ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ）で動作することが好ましい。マグネット２８が準大気圧で動作していれば、保護バッファヘリウム分量が分極器システム１０上の安全排出ポートに加えられ、空気の移入並びにマグネットや収着ポンプの汚染を防止することができる。

マグネット２８は、非常に低温度のコンテナ２４から離れたところに大きなフリンジ磁場領域を提供するように設計される。例えば１〜２５Ｔ以上（例えば、３Ｔ）のこうした高い磁場領域は、多くの場合にサンプル２２を融解させる間において必要となる。すなわち、融解を受けたサンプルはサンプル経路３０を通ってコンテナ２４から出るように転送されて真空チェンバ１２のボリュームの外に出る際に、フリンジ磁場はサンプル２２の過分極状態を維持することが望ましい。さらにマグネット２８は、能動的または受動的な遮蔽によってフリンジ場をアキシャル方向で封じ込めるようなやり方で設計することができる。この磁場は、サンプル経路３０に沿って磁場が大きいこと、少なくとも融解過程のすべての工程においてサンプル分極の緩和が最小限となるような程度であることが好ましい。サンプル２２の特性に応じて、このフリンジ磁場は強度及びカバー領域を必要に応じて調整することが可能である。

さらにマグネット２８及びクライオスタットは、撮像用マグネット（図示せず）との相互作用を最小限にするかまたはこれに耐えるような方式で設計される。幾つかの状況では、磁気共鳴（ＭＲ）システム（図示せず）やその内部に包含された撮像用マグネットに対して分極器システム１０をできる限り近くに位置決めすることが好ましい。こうした配列では、両マグネット上で２つの磁場の干渉を最小限にしかつＭＲ撮像磁場の均一性を維持するために、磁場均一性及び磁気力を慎重に制御することが必要である。

さらに図１を参照すると、コンテナ２４は封止可能であると共に、低い圧力まで排気させることができる。一方、低圧力までコンテナ２４を排気させると、液体ヘリウムの一部分が蒸発し状態点がヘリウム飽和曲線に沿って下がることによって液体ヘリウム浴２６の温度が低下する。すなわち、液体ヘリウムの沸騰温度（４．２Ｋ）はその蒸気圧の関数である。液体ヘリウム浴２６に対する圧力を低下させることによって、液体ヘリウム浴並びにその内部のサンプル２２を、複雑さを増大させることなく約１Ｋまで冷却することが可能である。次いでこの低い温度によって変換サンプル２２を希望する高分別分極状態（ｈｉｇｈ ｆｒａｃｔｉｏｎａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｓｔａｔｅ）に変換することが可能である。

液体ヘリウム浴２６に対するこの圧力低下を達成するために、ポンピングライン７６によって収着ポンプ４６をコンテナ２４と流体接続させている。収着ポンプ４６は、液体ヘリウム浴２６から気化する気体を吸着することによってコンテナ２４内の圧力を低下させるように構成されている。収着ポンプ４６は、ポンプを極低温まで低下させたときはこの収着モード（すなわち、分極／ポンピングフェーズ）で動作する。すなわち、収着ポンプ４６が約１０Ｋ以下の温度まで冷却されると、液体ヘリウム浴２６からヘリウムガスが気化し、これが収着ポンプ４６によって吸着されてその中の収着材料上に単一層または２つの層を形成させる。

図５に示すように、収着ポンプ４６はその内部に吸着材料８０を包含したポンプエンクロージャ７８を含む。ポンプエンクロージャ７８は円筒状であることが好ましいが、別の適当な構造で実現することもできる。吸着材料８０は低い温度における吸着率が高い材料から形成される。一実施形態では吸着材料８０は、その総表面積が大きい（１グラム当たり数１０平方メートルのレンジである）ために吸着率が高い（例えば、＞１０００ｍ^２／ｇ）活性炭により構成されている。吸着材料８０の内部には材料を冷却する冷却用フィン８２が設けられている。冷却用フィン８２は吸着材料８０の均一な冷却を促進し、ポンピングまたは収着サイクル／フェーズの間の吸着効率を向上させている。一実施形態では冷却用フィン８２は、吸着材料８０の迅速な冷却を提供するために良好な熱伝導率を有する媒質を提供するような銅配管から構成されている。冷却構造８２は、吸着材料８０の迅速な冷却を提供するためにエンクロージャ７８の幾何学構成に応じて多くの方式で配列させることが可能である。

吸着材料８０を上述のようにして冷却するために、オペレータコマンドに従って冷凍機１４に対して収着ポンプ４６を接続及び接続分離させるサーマルスイッチ８４に冷却用フィン８２を取り付けている。図１に戻ると、冷凍機１４は主サーマルバス７２（すなわち、熱伝導性リンク）及びサーマルスイッチ８４によって収着ポンプ４６に接続させている。主サーマルバス７２は、収着ポンプ４６が収着モードで動作できるように収着ポンプ４６及びその内部の吸着材料８０を極低温まで冷却するための冷凍機１４に対するリンクを提供する。主サーマルバス７２により提供される伝導リンクは、サーマルスイッチ８４による収着ポンプ４６に対する選択的な接続及び接続分離によって提供されており、したがって希望するときにポンプの収着モードからの脱出も可能となる。

収着ポンプ４６及び接続されたポンピングライン７６は高いポンピング容量を生成するように設計されている。この高いポンピング容量は、液体ヘリウム浴２６の低いベース温度を妥当な時間で得るために必要である。サンプル２２の過分極化のために液体ヘリウム浴２６の温度を所望の温度まで低下させるだけの十分な数の分子を吸着し終えた後、収着ポンプ４６は過分極化を実施できるような長い時間にわたって液体ヘリウム浴２６の低い温度を維持するように構成されている。ヘリウム及び浴２６内の液体ヘリウムのボリュームを吸収するための収着ポンプ４６の正確な容量は、過分極化のための低温度に関する所望の保持時間が得られるように設計及び最適化することができる。

サンプル２２を分極させた所望の収着ポンプフェーズが終了した後、収着ポンプ４６は脱着モード（すなわち、再加熱／再凝縮フェーズ）に切り替わり、吸着材料８０内に吸着したヘリウム分子を再凝縮させこれをコンテナ２４に戻して液体ヘリウム浴２６を再度満たすことができる。さらに図１を見ると、脱着モードでは収着ポンプ４６の温度は、ヘリウム分子が収着材料から脱着されてこれから放出されるような温度に至るまで上昇する。この高い温度を実現するために、サーマルスイッチ８４は冷凍機１４及び主サーマルバス７２を収着ポンプ４６から接続分離するように位置決めされる。冷凍機１４から接続分離されたときに、ヒータ８６をオンにすることによって収着ポンプ４６の温度が上昇し例えば３０〜４０Ｋの温度まで到達した時点で、ヘリウム分子が吸着材料８０から逃れてポンピングライン７６を通って収着ポンプ４６から出るような脱着フェーズに入る。理想的には、収着ポンプ４６はさらに、吸着材料８０がヒータ８６によってより高い温度まで加熱されその内部に集められた室温では脱着しない水蒸気を駆逐させることができるような再生フェーズに入ることが許容される。この再生フェーズは最大で２時間かかる可能性があり、このため分極器システム１０の使用を必要としない期間に実行されることになる。加熱プロフィール及び脱着／再生温度は最適な冷媒性能が得られるように選択される。

上で言及したように脱着フェーズでは、それ以前に蒸発したヘリウムガス分子を再凝縮させることができる。この再凝縮は、ポンピングライン７６を介して収着ポンプと接続させたヘリウム凝縮器８８によって実現されている。脱着フェーズの間に収着材料８０から放出されたヘリウムガスはポンピングライン７６を通って収着ポンプ４６から出て、ヘリウム凝縮器８８に運ばれる。ヘリウム凝縮器８８はヘリウムを液体状態にするのに要する温度までヘリウムガスを冷却する働きをする。ヘリウムが再凝縮されて液体状態になった後は、コンテナ２４内に再びこれが入ると共に液体ヘリウム浴２６が再度満たされる。ヘリウム凝縮器８８は、共通サーマルバス９０が形成する接続を通じて冷凍機１４によって冷却される。図１に示すように共通サーマルバス９０は主サーマルバス７２を介して冷凍機１２に接続されている。さらにヘリウムガスを再凝縮して凝縮器内に入ることを可能とするように、ヘリウム凝縮器８８に共通サーマルバス９０を接続されている。さらに、共通サーマルバス９０及び主サーマルバス７２は単一のサーマルバスとして形成できることが想起される。

分極器システム１０がサイクル型熱サイクルで動作する閉鎖システムとして動作するため、サンプル２２を過分極化するための効率よいシステムが提供される。さらに、収着ポンプ４６と凝縮器８８の配列のために過分極化の間に消費される液体ヘリウムの量が実質的にゼロまで減少し、これによれば満たすべき液体冷媒が無くかつサービスを要する機械式ポンプが無いため分極器システムに対するメンテナンスが軽減される。

ここまで記載してきた分極器システム１０は、吸着ポンプ４６（すなわち、収着ポンプ）を含む。吸着ポンプは多くの冷媒用途で使用されているが、収着ポンプ４６によれば高いポンピング容量及び長い保持時間を意味するような非常に大きな吸着容量を有するという特有の恩恵がもたらされる。分極器システム１０によればさらに、超伝導マグネット２８と収着ポンプ４６の両者を冷却するように構成された単一の共通冷凍機が提供される。超伝導マグネット冷媒システム（すなわち、マグネット容器７０内に包含された冷凍機１４及び液体ヘリウム）は、収着ポンプ４６の熱サイクルから影響を受けないような方式で設計される。収着ポンプ４６は、目下のところ入手可能な冷凍機を十分に下回る温度に到達することが可能である。上述した分極器システム１０の実施形態は収着ポンプ４６を実現させているが、さらに低温度物理学用途でも首尾よく動作する断熱消磁冷凍機（ＡＤＲ）など十分な容量及びベース温度を有する冷凍機によって、過分極化に適した１．５Ｋレンジにある極低温を有する環境を提供することが可能であることが想起される。

上では自己完結型のシステムとして分極器システム１０について記載してきたが、さらに本システムがＭＲ撮像システムと一体化されることも想起される。こうした構成では、ＭＲマグネットがフリンジ磁場を生成するように機能する。このフリンジ場の強度及び均一性に関するある種の局所的最適化によれば、^１３Ｃ_１−ピルビン酸塩サンプルを過分極化するのに要する十分なＤＮＰ分極場を生成することが可能である。さらに、分極させようとするサンプルを囲繞するコンテナに液体ヘリウムを提供するために、撮像用マグネットの冷却に用いられるＭＲ撮像システムのヘリウムリザーバを使用することも可能である。一実現形態では、ニードルバルブを有する細管を介して主ヘリウムリザーバを分極器システムのコンテナ／サンプル空間に接続し、コンテナへの液体ヘリウムの流れをこのバルブによって制御することになる。分極器システムをＭＲ撮像システムと一体化することによって全体設計がよりコンパクトかつより廉価となる。

スタンドアロン型分極器システムに関連して上で検討したように、大気圧におけるヘリウムの沸点（４．２Ｋ）を超えた分極の間にはサンプルの高い核分極が得られるようにサンプルの温度を低下させることが望ましいことが多い。こうした低い温度に到達するためには、そのサンプル空間（液体ヘリウムの浴を包含する）を収着ポンプによって一定にポンプオンすることができ、これによりヘリウムの蒸気圧の低下、また結果としてより低い動作温度が得られる。分極システムとＭＲＩ撮像システムの一体化を考えると、ＭＲ撮像用マグネットの冷却効果を増大させ追加的な冷却容量（ヘリウム保持時間の延長が得られると共に液体窒素リザーバの実現が不要となる）を提供するため並びに冷媒保持時間に対して有利な効果を得るためにサンプル空間からポンピングアウトされた低温のヘリウムガスを再循環させることが好ましい。

一般に、ＭＲ撮像用マグネットを過分極化のために使用すると、液体ヘリウムの再充填を２つの別々のマグネットで異なる時点で実施するのではなく一体の単一システム上だけで実施することになるためメンテナンスが容易になる。一体型システムによればさらに、ＭＲスキャナに関する既存の冷媒安全フィーチャを利用すること、並びに分極過程の進行中にサンプルからの増大するＮＭＲ信号を監視するためにＭＲスキャナ電子回路を使用することになる。

したがって本発明の一実施形態では、磁気共鳴技法を強化するのに用いられる物質を過分極化するための装置は、物質の分極に用いるためにその内部に極低温冷凍剤を有する冷却用チェンバと、冷却用チェンバと接続されたその内部の圧力を調整し低温度を生成させるための収着ポンプと、収着ポンプを冷却しその内部の分子吸着を促進するための冷凍システムと、を含む。冷却用チェンバ、収着ポンプ及び冷凍システムは閉鎖システム内に配列されている。

本発明の別の実施形態では、磁気共鳴（ＭＲ）撮像で使用するように材料を分極させるための分極器システムは、その内部に液体ヘリウム浴を有するコンテナであって、分極させようとする材料が該液体ヘリウム浴内に位置決めされているコンテナを含む。本分極器システムはさらに、コンテナ内の圧力を低下させこれにより液体ヘリウム浴の一部分を蒸発させるための収着ポンプと、収着ポンプを冷却しその内部の分子吸着を促進するための冷却システムと、収着ポンプに対して選択的冷却を提供するように収着ポンプと冷却システムを選択的に接続するための熱伝導性リンクと、を含む。本分極器システムは、冷却ユニットへの収着ポンプの接続に基づいて分極フェーズと再加熱フェーズの間で交替するような閉サイクル型熱サイクルで動作する。

本発明のさらに別の実施形態では、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）や核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光システムで使用するように過分極化材料を作成するための方法は、液体ヘリウム浴を包含する容器内に材料を配置する工程を含む。本方法はさらに、収着ポンプによって液体ヘリウム浴の温度を低下させる工程と、液体ヘリウム浴が十分に冷却されたときに材料を分極させる工程と、を含む。

本発明を好ましい実施形態に関して記載してきたが、明示的に記述した以外に等価、代替及び修正が可能であり、これらも添付の特許請求の範囲の域内にあることを理解されたい。

１０ 分極器システム
１２ 真空チェンバ
１４ 冷凍機
１６ 熱シールド
１８ 真空エンクロージャ
２０ 移動式スリーブ
２２ サンプル
２４ コンテナ
２６ 液体ヘリウム浴
２８ 磁場生成デバイス
３０ サンプル経路
３２ 前置チェンバ
３４ ゲートバルブ
３６ 封止キャップ
３８ 平衡器
４０ 超音波送信器
４２ ソニケータ探触子
４４ 保持用コンテナ
４６ 収着ポンプ
４７ 共通壁
４８ 導波路
４９ テール、フィン
５０ サンプルカップ
５２ 円錐ホーン
５４ 真空気密封止
５６ バッフル
５７ サンプルカップ
５８ 内側シェル
６０ ＮＭＲコイル
６２ 同軸ケーブル
６４ 内側シェル
６６ スリーブ
６８ ガスケット
７０ マグネット容器
７２ サーマルバス
７４ 凝縮器
７６ ポンピングライン
７８ ポンプエンクロージャ
８０ 吸着材料
８２ 冷却用フィン
８４ サーマルスイッチ
８６ ヒータ
８８ ヘリウム凝縮器
９０ 共通サーマルバス

Claims (27)

1. 磁気共鳴技法を強化する際に使用するために物質を過分極化するための装置であって、
   物質の分極に用いるためにその内部に極低温冷凍剤を有する冷却用チェンバと、
   冷却用チェンバと接続されたその内部の圧力を調整し低温度を生成させるための収着ポンプと、
   収着ポンプを冷却しその内部の分子吸着を促進するための冷凍システムと、を備えると共に、
   前記冷却用チェンバ、収着ポンプ及び冷凍システムは閉鎖システム内に配列されている装置。
2. 装置内の選択磁場を維持するための磁場生成デバイスをさらに備えると共に、該磁場生成デバイスは冷凍システムによって冷却されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記磁場生成デバイスはさらに、
   冷却用チェンバの周りに位置決めされたその内部にボアを有する超伝導マグネットと、
   超伝導マグネットを封入するためのマグネット容器であって、超伝導マグネットを冷却するためにその内部に液体ヘリウムを包含したマグネット容器と、
   マグネット容器に取り付けられたそこからボイルオフした液体ヘリウムを再凝縮させるための再凝縮器と、を備えており、
   前記超伝導マグネットは、サンプルを過分極化するために冷却用チェンバの周りに主磁場領域を生成し、かつ該主磁場領域からズレたところに該超伝導マグネットからアキシャル方向に延びる副磁場領域を生成するように構成されている、請求項２に記載の装置。
4. 前記超伝導マグネットはさらに、冷凍システムから接続分離されているときに液体ヘリウムのクエンチやロスを生じることなく動作しかつ磁気共鳴（ＭＲ）撮像磁場の近傍でその均一性を劣化させることなく動作するように構成されている、請求項３に記載の装置。
5. 収着ポンプに対して冷凍システムを接続及び接続分離するように構成されたサーマルスイッチをさらに備える請求項１に記載の装置。
6. 冷凍システムをサーマルスイッチに接続するための主サーマルバスをさらに備える請求項５に記載の装置。
7. 前記収着ポンプは、主サーマルバスがサーマルスイッチに接続されているときに収着モードで動作し、かつ主サーマルバスがサーマルスイッチから接続分離されているときに脱着モードで動作する、請求項６に記載の装置。
8. 前記収着ポンプは収着モードで動作しているときに、冷却用チェンバ内の圧力を低下させかつその内部の極低温冷凍剤の一部分を蒸発させるように構成されている、請求項７に記載の装置。
9. 収着ポンプが脱着モードで動作しているときに蒸発した極低温冷凍剤を再凝縮させるための凝縮器ユニットをさらに備える請求項８に記載の装置。
10. 蒸発した極低温冷凍剤を収着ポンプから凝縮器ユニットへ転送するためのポンピングラインをさらに備える請求項９に記載の装置。
11. 収着ポンプ及び凝縮器ユニットを冷却するために収着ポンプ、サーマルスイッチ及び凝縮器ユニットを接続している共通サーマルバスをさらに備える請求項９に記載の装置。
12. 前記収着ポンプはさらに、
    ポンプエンクロージャと、
    ポンプエンクロージャの内部に収容された吸着材料と、
    吸着材料の内部に分散させかつサーマルスイッチに接続させた冷却用フィンであって、収着ポンプが収着モードにあるときに吸着材料を冷却する冷却用フィンと、
    を備えている、請求項１に記載の装置。
13. 装置を封入する真空チェンバをさらに備える請求項１に記載の装置。
14. 分極させようとする物質を冷却用チェンバに装填するときに真空チェンバの真空を維持するために真空チェンバに取り付けられた前置チェンバをさらに備える請求項１３に記載の装置。
15. 分極させようとする物質にマイクロ波を送出するように位置決めされた導波路と、
    冷却用チェンバの内部で分極させようとする物質の周りに位置決めされた核磁気共鳴（ＮＭＲ）コイルであって、物質の分極レベルを検出するように構成されたＮＭＲコイルと、
    をさらに備える請求項１に記載の装置。
16. 前記極低温冷凍剤が液体ヘリウムである、請求項１に記載の装置。
17. 前記分極させようとする物質が^１３Ｃ_１−ピルビン酸塩である、請求項１に記載の装置。
18. 磁気共鳴（ＭＲ）撮像で使用するように材料を分極させるための分極器システムであって、
    その内部に液体ヘリウム浴を有するコンテナであって、分極させようとする材料が該液体ヘリウム浴内に位置決めされているコンテナと、
    コンテナ内の圧力を低下させこれにより液体ヘリウム浴の一部分を蒸発させるための収着ポンプと、
    収着ポンプを冷却しその内部の分子吸着を促進するための冷却システムと、
    収着ポンプに対して選択的冷却を提供するように収着ポンプと冷却システムを選択的に接続するための熱伝導性リンクと、を備えており、
    冷却ユニットに対する収着ポンプの接続に基づいて分極フェーズと再加熱フェーズの間で交替する閉サイクル型熱サイクルで動作している分極器システム。
19. 収着ポンプに対して熱伝導性リンクを接続及び接続分離するように構成されたサーマルスイッチをさらに備える請求項１８に記載の分極器システム。
20. 前記サーマルスイッチは、分極フェーズの間は熱伝導性リンクを収着ポンプに接続させ、かつ再加熱フェーズの間は熱伝導性リンクを収着ポンプから接続分離させている、請求項１９に記載の分極器システム。
    
21. 分極器システムが再加熱フェーズにあるときに蒸発したヘリウムを再凝縮させるためのヘリウム凝縮器をさらに備える請求項１８に記載の分極器システム。
22. 材料を分極させるための磁場を生成するための少なくとも１つのマグネットをさらに備える請求項１８に記載の分極器システム。
23. 前記冷却システムは極低温を生成するための閉サイクル冷凍機として構成されている、請求項１８に記載の分極器システム。
24. 磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）または核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光システムで使用するように過分極化材料を作成するための方法であって、
    液体ヘリウム浴を包含する容器内に材料を配置する工程と、
    収着ポンプによって液体ヘリウム浴の温度を低下させる工程と、
    液体ヘリウム浴が十分に冷却されたときに材料を分極させる工程と、
    を含む方法。
25. 液体ヘリウムの温度を低下させる前記工程はさらに、
    収着ポンプによって容器内の圧力を低下させる工程と、
    低下させた圧力で液体ヘリウム浴の一部分を蒸発させる工程と、
    を含む、請求項２４に記載の方法。
26. 容器を液体ヘリウムで再度満たすために蒸発したヘリウムを凝縮器ユニットによって再凝縮させる工程をさらに含む請求項２４に記載の方法。
27. 磁場を生成するために容器に隣接して少なくとも１つのマグネットを位置決めする工程をさらに含んでおり、該少なくとも１つのマグネットは高均一性磁場と該高均一性磁場からズレた位置のフリンジ磁場を生成するように構成されている、請求項２４に記載の方法。