JP4846112B2 - 移植可能な核磁気共鳴分光計 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は医療移植に関し、特に生理学的流体の局所的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医療移植可能な装置に関する。
【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。さらに、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】
【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。
【０００７】
【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移植可能な核磁気共鳴分光計により達成できる。
【０００８】
本発明の別の目的は上記の移植可能な核磁気共鳴分光計を幾つかの医療用途において使用する方法を提供することである。
【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計の一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計の移植可能な装置の一実施形態を示す。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、この磁石配列構成は円筒形状の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フォーマットするために必要な構成部品を備えている。さらに、この主回路基板９は遠隔測定技術を利用して獲得およびフォーマット処理したデータを転送するために使用する電子部品を備えている。このような構成においては、ＲＦアンテナ１０が移植可能な装置のハウジング１１の中に配置されている。受動的遠隔測定法を使用する場合は、アンテナ１０は誘導連結によりプリント回路基板を励起すると共に、フォーマット処理された測定データを外部読取装置に転送するように作用する。このような受動的吸収変調遠隔測定法の例が欧州特許公報第ＥＰ０３７７６９５号に記載されている。
【００１４】
別の実施形態において、上記の移植可能な装置のハウジング１１の中に電池のような電力供給源を組み込むことができる。これは必要なエネルギーが遠隔測定法により伝達できるエネルギーを超える場合である。能動的遠隔測定法は移植可能な医療装置の分野において広く使用されて知られている。例えば、ピースメーカーのような移植可能な医療装置および外部受信機または読取装置の間で経皮的にアナログおよびデジタル・データを遠隔測定するための装置および方法が米国特許第５，３１４，４５０号に記載されており、データを外部受信機（図示せず）および本発明の移植可能な装置の間で二方向転送するために実施できる。
【００１５】
本発明の移植可能な装置は電子部品を保護するために防水性のハウジングの中に包容されている。例えば、この装置は生体許容性のチタニウム・ハウジングの中に完全に包容することができ、これにより、人体内における長期の移植に適した構成が得られる。さらに、防水性の通路がカテーテル６の高さにおいてハウジング内に備えられていて、分析する流体を、例えば、拡散によりカテーテル６の中に流すことができる。
【００１６】
さらに、上記の移植可能な装置をシリコーンまたはエポキシのような生体許容性のポリマーにより被覆する等の別の隔絶技法も使用できる。
【００１７】
開示した本発明の移植可能な装置により、生理学的流体内の特定の化合物の組成および／または濃度を継続的にモニターすることが可能になる。この装置を移植した後は、流体の流れをモニターすることも可能になる。このような技法の主な利点の一つは、１回の移植処理を必要とするだけで、いつでも必要な時間だけ、遠隔測定技法により、移植装置に対して非侵襲的に応答指令を送ることができることである。この移植可能な装置に対して多くの用途が予想できる。そこで、本発明の幾つかの使用方法を以下に説明する。
【００１８】
糖尿病患者は１日に数回の血糖値の検査を必要とする場合がある。本発明が提案する装置は移植後に遠隔測定法により非侵襲的に応答指令を送って血糖値の正確なモニターを行うことができる。その後、このデータは注射または注入するインシュリンの最適な量を決定するために使用できる。さらに、この移植装置は移植したインシュリン注入ポンプの注入速度を自動的に制御するために使用できる。
【００１９】
また、別の用途は、市販の移植可能な流量センサーが現在において存在していないので、移植した薬物供給装置からの有効な流速の測定に関する。例えば、バイパス処理した水頭症患者のバイパス部分における有効な流速を知ることは、水頭症の適正な管理のために重要である。そこで、本発明の提案する装置をこのバイパス部分に沿って移植することにより、バイパスの適正な動作を確認することが可能になり、バイパスの設定の最適化が可能になる。
【００２０】
さらに、上記の移植可能な装置は特に傷害患者の体液内の特定の化合物の長時間の継続的なモニター処理のためにも使用できる。この場合の測定可能な分析物としては、アミノ酸、グルコース、グルタメート、ラクトース、溶存ガス等の代謝産物が含まれる。
【００２１】
さらに、上記の移植可能な装置によれば、移植した装置により測定したパラメータの結果に応じてペースメーカーまたは移植した薬剤供給装置のような別の移植可能な装置を制御可能にするフィードバック・ループを構成することも可能である。
【００２２】
本発明の実施態様は以下の通りである。
（Ａ）流体を流すことが可能なカテーテル（６）により横切られているハウジング（１１）と、カテーテル（６）の近傍に一定強度の均一な磁場を発生する永久磁石（１，２，３，４）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を行なうための電子回路（８，９）の配列構成と、流体サンプルを励起信号に暴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）とから成る流体の化学的組成または流体の流速を測定するための移植可能な核磁気共鳴分光計。
（１）さらに、アンテナ（１０）および遠隔測定法により測定したデータを外部読取装置に伝送するために必要な電子回路から成る実施態様（Ａ）に記載の移植可能な核磁気共鳴分光計。
（２）前記永久磁石の配列構成が外部円筒形磁石（１）と、当該磁石（１）の内部に配置された２個の内部円筒形磁石（２）とにより構成されており、これらの３個の磁石がそれらの各対称軸に沿って磁化しており、外部磁石（１）の磁化方向が内部磁石（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）に記載の移植可能な核磁気共鳴分光計。
（３）前記永久磁石（１，２）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）に記載の移植可能な核磁気共鳴分光計。
（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）の周りに配置されており、核磁気共鳴信号を検出して予備処理するための予備処理回路（８）が励起コイル（７）の極めて近くに配置されている実施態様（３）に記載の移植可能な核磁気共鳴分光計。
（５）さらに、前記電子回路（８，９）に対して電力供給するための電池から成る実施態様（Ａ）および実施態様（１）乃至実施態様（４）のいずれか１項に記載の移植可能な核磁気共鳴分光計。
（６）生体許容性の材料により包容されている実施態様（Ａ）および実施態様（１）乃至実施態様（５）のいずれか１項に記載の移植可能な核磁気共鳴分光計。
（Ｂ）移植可能な核磁気共鳴分光計および遠隔測定法により当該移植可能な装置に対して通信可能な外部読取装置から成る生理学的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装置。
（７）カテーテルにより体内通路内に実施態様（Ａ）の装置を移植する工程と、当該移植可能な装置に対して誘導的に連結する外部読取装置によりこの移植可能な装置を励起して活性化する工程と、当該移植可能な装置により伝送されるデータを収集して分析する工程から成る生理学的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方法。
【００２３】
【発明の効果】
従って、本発明によれば、流体の化学的組成および／または流体の流速を測定するための移植可能な核磁気共鳴分光計が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による移植可能な核磁気共鳴分光計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 (8)

1. 流体を流すことが可能なカテーテル（６）により横切られているハウジング（１１）と、カテーテル（６）の近傍に一定強度の均一な磁場を発生する永久磁石（１，２，３，４）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を行なうための電子回路（８，９）の配列構成と、流体サンプルを励起信号に暴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）とから成る流体の化学的組成または流体の流速を測定するための移植可能な核磁気共鳴分光計。
2. 請求項１に記載の移植可能な核磁気共鳴分光計において、
   遠隔測定法により前記核磁気共鳴分光計に対して通信可能な外部読取装置をさらに含む、核磁気共鳴分光計。
3. 請求項２に記載の移植可能な核磁気共鳴分光計において、
   前記電子回路に接続されたアンテナであって、フォーマットされた前記信号を遠隔測定法により前記外部読取装置に伝送するアンテナをさらに含む、核磁気共鳴分光計。
4. 請求項１に記載の移植可能な核磁気共鳴分光計において、
   前記永久磁石の配列構成が、円筒形の外部磁石と、２個の円筒形の内部永久磁石と、を含み、前記永久磁石の各々が、各対称軸に沿って磁化しており、前記外部磁石の磁化方向が、２個の前記内部永久磁石の磁化方向に対して反対である、核磁気共鳴分光計。
5. 請求項４に記載の移植可能な核磁気共鳴分光計において、
   前記永久磁石の配列構成が、前記外部磁石を閉じている２個のフェライト・キャップおよび前記内部永久磁石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をさらに含む、核磁気共鳴分光計。
6. 請求項５に記載の移植可能な核磁気共鳴分光計において、
   前記励起コイルが、前記永久磁石の配列構成を横切る前記カテーテルの周りに配置されており、前記核磁気共鳴信号を検出して予備処理するための予備処理回路が、前記励起コイルに近接して配置されている、核磁気共鳴分光計。
7. 請求項１に記載の移植可能な核磁気共鳴分光計において、
   前記ハウジング内に配置され、前記電子回路に対して電力供給する電池をさらに含む、核磁気共鳴分光計。
8. 請求項１に記載の移植可能な核磁気共鳴分光計において、
   前記ハウジングが、生体許容性の材料により包容されている、核磁気共鳴分光計。

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