JP4334776B2 - 最少侵襲性の核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はカテーテル・プローブに関し、特に生理学的流体の局所的な流速およびその化学的組成を特徴付けてモニターすることのできる核磁気共鳴分光計の配列構成を備えているカテーテル・プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】
核磁気共鳴は以下の既知の原理に基づいている。すなわち、奇数の原子質量数または奇数の原子番号（例えば、水素等）を有する全ての原子核は固有の核磁気モーメントを有する。詳細については述べないが、このモーメントは原子核の周りのプロトン（陽子）の回転により発生する。さらに、核磁気共鳴（ＮＭＲ）的に活性な原子核が静磁場の中に置かれると、このモーメントは異なる２種類の配向状態を採る。すなわち、このモーメントは磁場に対して平行になるか、磁場に対して非平行な配向を採る。同一の静磁場内に置かれた水素原子の集団を考えた場合に、平行配向を有する原子の数が非平行配向を有する原子の数よりも僅かに多い。この理由は、平行配向がエネルギー的に比較的安定であるためである。さらに、この平行状態から非平行状態への遷移が原子の共鳴周波数と呼ばれる一定周波数における電磁エネルギーの吸収により生じる。この共鳴周波数は原子核および静磁場の強度により決まる。一般に、核磁気共鳴装置はこれらの励起状態（非平行配向）から平衡状態（平行配向）への遷移中に発生する信号を分析することにより動作する。この場合、原子核が高い強度の静磁場内に置かれた後に、その共鳴周波数に相当する周波数を有する電磁波により励起される。さらに、上記の平衡状態への状態復帰または遷移が生じると、この励起信号（共鳴信号）と同一周波数の信号が発生してアンテナを介して測定できる。
【０００３】
このような共鳴検出は、一定の周波数範囲における走査によるエネルギー吸収測定により励起状態において行なうか、平衡状態への原子の状態復帰時において行なうことができる。後者の場合においては、原子がその平衡状態に復帰する際の磁気モーメントの遷移により発生する電磁信号を測定することにより共鳴検出が行なわれる。水素原子以外の原子が特定しようとする溶液中に存在している場合は、それらの電子のスピンにより微視的な磁場が生じる。それゆえ、水素原子はこれらの電子により発生した磁場が局在的に重なり合ったＮＭＲ装置により発生される静磁場の影響を受ける。従って、この特定しようとする溶液内の水素原子の環境に対して特異的な変化がその共鳴周波数に加えられる。核磁気共鳴分光計はこの原理に基づくものであり、主に２種類の異なる用途、すなわち、実験における生化学的分析および磁気共鳴画像処理分光法において使用されている。実験用途の場合は、各分子の原子構造を調べるために、核磁気共鳴分光法が一般に極めて高い磁場強度（＞１０テスラ（Tesla)）において行なわれる。一方、磁気共鳴画像処理分光法（ＭＲＩＳ）は、分子レベルでの組織環境の組成を調べるために、比較的低い磁場強度（１．５テスラ程度）において標準的なＭＲＩ装置により行なわれる。
【０００４】
さらに、共鳴による励起状態から平衡状態への復帰により生じる信号を分析することにより液体の流れに関する情報を収集することも可能である。すなわち、この信号の特徴は液体が静止状態である時に一定の減少性を示し、液体が移動している時にはさらに速い減少性を示す。この理由は、励起状態の原子がアンテナの検出空間内から移動して消去するためである。さらに、この技法は磁気共鳴画像処理分光装置においても使用されている。
【０００５】
体液内の特定な化合物の継続的的なモニターおよび人体内の流体の流速に関する情報を収集することは医療の多くの領域において重要な処理であり、特に、傷害患者における脳代謝産物のモニターまたはバイパス処理した水頭症患者における脳脊髄液の流速をモニターする場合に重要である。このような生理学的流体内の特定化合物の濃度をモニターするための既知の技法は、一般に、流体サンプルの採取を必要とする技法（透析等）、または目的とする流体／組織内にプローブを挿入する処理（微小透析、血液ガス分析等）のいずれかにより侵襲的に行なわれる。これらの技法は分析する各サンプルに穴あけを行なう処置、またはモニターの継続中にカテーテル管を留置する処置のいずれかを含む。既知の侵襲性のカテーテル・プローブはＯ₂ 、ＣＯ₂ 、グルコースまたはラクトースのような特定の分析物を主な目的物としている。
【０００６】
微小透析（micro-dialysis）は唯一の用途の広い侵襲性の技法であるが、カテーテル内を循環するバッファー溶液の継続的な流れおよびオフ−ライン分析用の溶液サンプリングが必要である。後者の技法は擬似的継続モニター処理（pseudo-continuous monitoring）として考えることができるが、実施することがかなり困難である（特別な資格を有するオペレータおよび目的とする分析物に対する１種類の特異的な試薬を必要とする）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
磁気共鳴画像処理分光法のような別の非侵襲性の技法は費用が嵩み、継続的なモニター処理を行なうことが困難である。さらに、流速評価に関しては、現在においてこれらの測定をイン・シッツで行なえる装置が全く無い。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は上記の問題点を解消することであり、この目的は本明細書に記載する特許請求の範囲における請求項１に記載する特徴を有する最少侵襲性の核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブにより達成できる。
【０００９】
本発明のさらに別の特徴およびその他の目的は上記の本発明による移植可能な核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブの２個の実施形態を概略的且つ非制限的に示す添付図面に基づく以下の詳細な説明により明らかになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１において、本発明による核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブの第１の実施形態を示す。この実施形態において、静磁場が一定の永久磁石の配列構成により発生される。この静磁場は二つの基準条件を満たす必要がある。第１に、この静磁場は強度が高いことが必要である。すなわち、核磁気共鳴信号の強度は共鳴に関係している原子の数に直接的に比例し、さらに、磁場の強度にも直接的に比例する。それゆえ、容易に検出および分析できるＮＭＲ信号を発生するためには、１テスラ以上の範囲の静磁場により装置を動作する必要がある。さらに、上記の磁場が満足する必要のある第２の基準条件はその均一性に関係する。すなわち、分析するサンプルが同一の静磁場内に完全に包囲されていることが極めて重要な条件である。この条件が満たされていない場合は、脱励起周波数スペクトルが広がるために、これを測定および解析することが困難になる。現状においては、この静磁場の均一性は１ｐｐｍ乃至１０ｐｐｍの範囲内であることが必要である。
【００１１】
これらの必要条件を満足する静磁場はカテーテル管の先端部に配置した永久磁石の一定の配列構成により発生される。図１に戻って、この永久磁石の配列構成は円筒形の外部永久磁石１を含む。さらに、この永久磁石の配列構成は同様な円筒形状の２個の内部永久磁石２を備えている。これらの磁石１および２はそれぞれの長手軸に沿って分極している。さらに、内部磁石２の磁化の方向は共に同一であるが、外部磁石１の分極方向に対して反対である。すなわち、外部磁石１の北極が図１において当該外部磁石１の上部に配置される場合に、内部磁石２の北極が図１においてその下部に配置される。さらに、上記の磁石配列構成は各内部磁石２の隣接する磁極にそれぞれ配置されている磁気コンセントレータ３を備えている。これらの磁石の機能は２個の内部磁石２の間に直接的に形成される領域内の静磁場の強度および均一性を改善することである。さらに、２個のフェライト・キャップ４がこの磁石配列構成を閉じることにより、この領域内に生じる磁場の損失を減少している。
【００１２】
外部磁石１は２個の磁気コンセントレータ３を端部に有する内部磁石２の間にカテーテル６を挿通するための２個の中央ラジアル穴５を備えている。従って、分析する流体は磁石配列構成の中心部におけるカテーテル６の中に流れる。さらに、励起／検出コイル７が永久磁石構造の中心部におけるカテーテル６の周囲に配列されている。測定容積はこのコイル７の容積により決定され、当該容積は分析するサンプルの近傍における場の均一性を最適化するために減少する必要がある。なお、シミュレーションにより、約０．７テスラの場の強度において上記構造の中心部分における１００μｍの直径を有する球において１ｐｐｍの均一性が得られることが分かった。
【００１３】
上記の励起／検出コイル７は電子予備処理回路８に接続しており、この回路８は、好ましい実施形態において、信号対ノイズ比を増大するために、コイル７に可能な限り接近して配置されている。このＮＭＲ信号を検出、増幅および予備処理する予備処理回路８はさらに主プリント回路基板９に接続しており、当該回路基板９は信号をさらに処理するために必要な全ての電子部品を収容している。これらの既知の構成部品については本明細書において詳述しないが、これらの機能は以下のようにまとめることができる。すなわち、主プリント回路基板９は共鳴周波数において核磁気共鳴による励起信号を発生するために必要な構成部品により構成されている。さらに、この回路基板９は予備処理回路８により検出された信号を分析してフォーマットするために必要な構成部品を備えている。また、この主回路基板９は接続ワイヤ１０を介して外部モニター装置（図示せず）に接続している。この外部装置は測定した分析物のスペクトルをさらに処理して図形的に表現するために使用できる。
【００１４】
上記の電子回路基板９はワイヤ１０を外部モニター装置に接続すると共に、予備処理回路８に接続するための気密通路を備えた防水性ハウジング１１の中に収容されている。このプローブ・ヘッドは例えばシリコーンにより作成できるカテーテルの先端部に一体化されている。このカテーテル１１のシリコーン・エンベロープは内部カテーテル６の前部に配置された２個の孔を備えていて、プローブを人体における関与の場所に挿入した場合に、分析する流体がカテーテル６内を拡散により流れることができるようになっている。
【００１５】
図２は核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブの第２の実施形態を示しており、当該実施形態においては、永久磁石の配列構成がHalbach の円筒体の構造を有する円筒形の永久磁石１２により構成されている。この無限双極子原理（infinite dipole principle)に基づくHalbach の構造は当該構造の中心部において極めて均一な場を生じることが知られている。さらに、このようなHalbach の構造においては、発生した磁場の均一性が磁石の長さに伴って増大する。このようなカテーテル・プローブの典型的な寸法は約３ｍｍの全体的な直径に対して約１５０ｍｍの長さである。さらに、永久磁石１２の中心部に励起／検出コイル１３が配置されていて、ワイヤ１４を介して防水性ハウジング１５に接続しており、当該ハウジング１５は予備処理回路および励起信号を発生して測定したデータをフォーマットするために必要な電子部品を備えている。このハウジング１５に収容されている各電子回路の出力はカテーテル管１７の基端部まで延在しているワイヤ１６を介して外部モニター装置（図示せず）に接続している。
【００１６】
この実施形態においては、分析する液体が挿入状態のカテーテルの先端部の中に流入する。その後、Halbach 円筒体１２の中心部分における流体の循環により自然な拡散が行われる。この実施形態においては、良好な結果を得るために、励起コイル１３により励起される容積を可能な限り大きくする必要がある点に注目すべきである。このことが、励起コイル１３が永久磁石１２の長さの約２／３にわたって延在している理由である。
【００１７】
上記の核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブによれば、生理学的流体中の組成物および／または特定の化合物の濃度を継続的にモニターすることが可能になる。多くの用途がこのカテーテル・プローブについて予想できる。一例として、このプローブは傷害患者における脳機能、特に、アミノ酸、グルコース、グルタメート、ラクトース、溶存ガスのような分析物の濃度の継続的なモニター用に使用できる。このように、カテーテルの先端部において局所的に核磁気共鳴分光処理を行うための手段を備えることにより、上記のプローブは関与のあらゆる化合物に対する最少侵襲性の継続的なモニター処理を可能にする。
【００１８】
本発明の実施態様および関連態様は以下の通りである。
（Ａ） 一定強度の均一な磁場を発生する永久磁石（１，２，３，４，１２）の配列構成と、核磁気共鳴信号の励起および検出、および測定した信号のフォーマットに応じて動作する電子回路（８，９）の配列構成と、流体サンプルを励起信号に曝露して核磁気共鳴信号を収集するための少なくとも１個の励起コイル（７，１３）とから成る流体の化学的組成および／または当該流体の流速を測定するための核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブ。
（１）さらに、前記電子回路の出力を測定したデータを表示するための外部モニター装置に接続する接続ワイヤ（１０，１６）から成る実施態様（Ａ）に記載の核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブ。
（２）前記永久磁石の配列構成が内部に２個の円筒形の内部永久磁石（２）が配置されている円筒形の外部永久磁石（１）により構成されており、これら３個の磁石がそれぞれの対称軸に沿って磁化されており、外部磁石（１）の磁化方向が各内部磁石（２）の磁化方向に対して反対である実施態様（Ａ）または実施態様（１）に記載の核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブ。
（３）前記永久磁石の配列構成がさらに前記円筒形の外部永久磁石（１）を閉じている２個のフェライト・キャップ（４）および前記内部永久磁石（２）の各近接端部に配置された２個の磁気コンセントレータ（３）により構成されている実施態様（２）に記載の核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブ。
（４）前記励起コイル（７）が前記永久磁石（１，２，３，４）の配列構成を横切るカテーテル（６）の周囲に配置されており、核磁気共鳴信号を検出および予備処理するための予備処理回路（８）が励起コイル（７）のすぐ近傍に配置されている実施態様（３）に記載の核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブ。
（５）前記永久磁石の配列構成が永久磁石により形成されたHalbachの円筒体（１２）により構成されており、励起／検出コイル（１３）が前記Halbachの円筒体の内側の中心部分に配置されていて、前記永久磁石（１２）の長さの約２／３にわたって延在している実施態様（Ａ）または実施態様（１）に記載の核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブ。
関連態様（Ｂ） 一定強度の均一な磁場を発生し、２つの開口を有して両開口間で中央部を貫通する貫通孔（５）を有する永久磁石（１，２，３，４，１２）の配列構成と、
核磁気共鳴信号の励起および検出、および測定した信号のフォーマットに応じて動作する電子回路（８，９）の配列構成と、
流体サンプルを励起信号に曝露して核磁気共鳴信号を収集するための少なくとも１個の励起コイル（７，１３）と、
前記永久磁石（１，２，３，４，１２）に形成された前記貫通孔（５）の一方の開口から他方の開口まで延在するカテーテル（６）と、から成る流体の化学的組成または当該流体の流速を測定するための核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブ。
【００１９】
【発明の効果】
従って、本発明によれば、新規な最少侵襲性の核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブの第１の実施形態の概略的部分断面図である。
【図２】本発明による核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブの第２の実施形態の概略的部分断面図である。
【符号の説明】
１ 外部磁石
２ 内部磁石
３ 磁気コンセントレータ
４ フェライト・キャップ
５ 中央ラジアル穴
６ カテーテル
７ 励起／検出コイル

Claims (6)

1. 一定強度の均一な磁場を発生し、２つの開口を有して両開口間で中央部を貫通する貫通孔（５）を有する永久磁石（１，２，３，４，１２）の配列構成と、
   核磁気共鳴信号の励起および検出、および測定した信号のフォーマットに応じて動作する電子回路（８，９）の配列構成と、
   流体サンプルを励起信号に曝露して核磁気共鳴信号を収集するための少なくとも１個の励起コイル（７，１３）と、
   前記永久磁石（１，２，３，４，１２）に形成された前記貫通孔（５）の一方の開口から他方の開口まで延在するカテーテル（６）と、から成る流体の化学的組成または当該流体の流速を測定するための核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブ。
2. さらに、前記電子回路の出力を測定したデータを表示するための外部モニター装置に接続する接続ワイヤ（１０，１６）から成る、請求項１に記載の核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブ。
3. 前記永久磁石の配列構成が内部に２個の円筒形の内部永久磁石（２）が配置されている円筒形の外部永久磁石（１）により構成されており、また、これら３個の磁石がそれぞれの対称軸に沿って磁化されており、さらに、外部磁石（１）の磁化方向が各内部磁石（２）の磁化方向に対して反対である、請求項１に記載の核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブ。
4. 前記永久磁石の配列構成がさらに前記円筒形の外部永久磁石（１）を閉じている２個のフェライト・キャップ（４）と、前記内部永久磁石（２）の各近接端部に配置された２個の磁気コンセントレータ（３）により構成されている、請求項３に記載の核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブ。
5. 前記励起コイル（７）が前記２個の円筒形の内部永久磁石（２）を横切るカテーテル（６）の周囲に配置されており、核磁気共鳴信号を検出および予備処理するための予備処理回路（８）が励起コイル（７）のすぐ近傍に配置されている、請求項４に記載の核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブ。
6. 前記永久磁石の配列構成が円筒体に形成された永久磁石（１２）により構成されており、少なくとも１つの励起／検出コイル（１３）が前記円筒体の内側の中心部分に配置されていて、前記永久磁石（１２）の長さの約２／３にわたって延在している、請求項１に記載の核磁気共鳴分光法式カテーテル・プローブ。

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