NO302447B1 - Fremgangsmåte for avbildning ved magnetisk resonans - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører forbedringer av og forhold ved magnetisk resonansavbildning (MRI), og spesielt apparatur for og fremgangsmåter for elektronspinn resonansforbedret magnetisk resonansavbildning (ESREMRI).

ESREMRI, beskrevet av oss i EP-A-296833, er en fremgangsmåte for magnetisk resonansavbildning hvor forsterkning av det kjernemagnetiske resonanssignalet, det frie induksjonsdempnings-(FID)signalet, oppnås ved å stimulere en elektronspinn-resonansovergang i en paramagnetisk substans til stede i prøven som skal avbildes. Stimulering av ESR-overgangen fører til en polarisasjon av kjernespinnsystemet ansvarlig for FID-signalene fra hvilke det magnetisk resonans (MR)-bildet av prøven genereres. Denne såkalte dynamiske kjernepolarisasjon er faktisk en overpopulasjon, i forhold til likevektsverdier, av den eksiterte kjernespinn-tilstanden og kan være så stor at FID-signalet kan forsterkes med en faktor på vel over 100.

Ved bruk av denne teknikken, kan MR-bilder genereres ved konvensjonelle avbildningsprosedyrer, som f.eks. to- og tre-dimensjonale Fourier-transformasjoner, med forbedret signal til støy (SN)-forhold (på grunn av forsterkningen av FID-signalet) og/eller med kortere bilde-innhentningstider (siden kjernespinn-systemet ikke trenger å gis tid til å relaksere mot likevekt i et intervall sammenlignbart med T-indeksen, spinngitter- relaksasjonstiden, f.eks. omkring ett sekund, mellom hver eksiterings-/FID-signaldeteksjons-syklus), og/eller med primære magnetiske felt som er svakere enn dem som konvensjonelt benyttes ved MRI, f.eks. 0,0 02 til 0,1 T eller lavere.

ESREMRI involverer å eksponere prøven som skal avbildes på pulser med elektromagnetisk stråling med frekvenser valgt slik at ESR- og NMR-overganger stimuleres.

Disse frekvensene er selvsagt avhengig av styrken på det primære magnetiske feltet til avbildningsapparaturen. Siden de ESR- og NMR-stimulerende strålinger ved feltstyrkene konvensjonelt benyttet i MRI, hovedsakelig er mikrobølge- (MW) og radiofrekvens- (RF) strålinger, omtales for enkelhets skyld heretter de ESR- og NMR-stimulerende strålingene som MW- og RF-strålinger henholdsvis.

For å maksimere FID-signalforsterkingen i ESREMRI, bør ESR-overgangen(e) i den paramagnetiske substansen, som kan være naturlig til stede i prøven som skal avbildes, men vanligvis vil være tilført prøven som et kontrastmiddel, stimuleres ved eller nær metningsnivået i en periode som leder opp til den første RF-pulsen i RF-puls/FID-signaldeteksjons-syklusen til prosedyren for innhenting av et MR-bilde.

Eksponering av levende prøver for elektromagnetisk stråling med RF- eller MW-frekvenser (inkludert strålingene med lavere frekvenser enn dem som konvensjonelt betraktes å være MW eller RF, men som omfattes her av disse begrepene som følger av definisjonen gitt ovenfor), kan forårsake uønsket oppvarming av prøvens vev, og det er klart essensielt for en diagostisk teknikk som MRI (og ESREMRI) at temperaturøkningen i vevet holdes nede på et akseptabelt nivå.

For å unngå for stor RF-oppvarming, finnes det anbefalinger for konvensjonell MRI om at den maksimale strålingseksponeringen, den spesifikke absorpsjonsraten (SAR), bør være omkring 1-8 W/kg kroppsvekt i løpet av avbildningsprosedyren. Hvis MRI utføres i samsvar med disse anbefalingene, skulle enhver temperaturøkning i vevet være akseptabelt lav, f.eks. mindre enn omkring 1°C, selv for lengre avbildningsperioder.

Bestrålning ved effektnivåer vel over disse anbefalte verdiene kan imidlertid tolereres så lenge pulsvarigheten av denne strålingen er kort. Faktisk kan den varmende virkningen ved pulset RF- eller MW-stråling være lavere enn den til kontinuerlig-bølgestråling selv når SAR utjevnet over hele eksponeringstiden kan være mye høyere. Således virker noen MR-avbildere ved å benytte pulset RF-stråling hvor SAR kalkulert for hver puls langt overstiger det anbefalte maksimum, men hvor SAR utjevnet over eksponeringsperioden er under dette maksimum.

Som nevnt ovenfor, omfatter ESREMRI å eksponere prøven som avbildes ikke bare for den kjernemagnetisk resonans- stimulerende RF-strålingen som er konvensjonell ved MRI, men også for elektronspinnresonans-stimulerende MW-stråling. Følgelig er det spesielt viktig ved in vivo ESREMRI å unngå unødig eksponering av prøven for MW-stråling, for å unngå for stor oppvarming av, subjektets vev.

For at MW-eksponering skal holdes på et akseptabelt nivå foreslår vi i EP-A-296833 at ethvert paramagnetisk kontrastmiddel benyttet som kilde for de MW-stimulerte ESR-overgangene bør ha et ESR-spektrum, hvor den eller de stimulerte overgangen(e) bør ha en linjebredde på mindre enn 1 gauss. Dette utelukker effektivt fra betraktning de paramagnetiske metallforbindelsene, f.eks. chelatene, saltene, osv. , som er funnet å være effektive Txkontrastmidler i konvensjonell MRI. I stedet fokuserte EP-A-296833 oppmerksomheten på anvendeligheten av forskjellige stabile frie radikaler, som f.eks. nitroksider, som ESREMRI kontrastmidler. De nitrokside, stabile frie radikalene som har ESR-linjebredder på mindre enn 1 gauss, er imidlertid mindre effektive som Txkontrastmidler i MRI - mer spesifikt har de generelt lavere relaksiviteter eller spesifikk relaksasjons-rate (l/T 1) forsterkningsverdier enn T1kontrastmidlene som inneholder paramagnetiske metallforbindelser. Opp til nå har valget av ESREMRI som avbildningsteknikk følgelig medført at et kontrastmiddel med relativt lav relaksivitet måtte benyttes, og at kontrastmiddeldoser måtte være relativt store.

Vi har nå funnet at MW-eksponering kan reduseres eller opprettholdes innen akseptable nivåer, og at valg av passende kontrastmidler kan utvides ved å utføre ESREMRI, ved å benytte en avbildningsteknikk som minner mye om den ekkoplanare avbildnings(EPI)-teknikken utviklet av Mansfield for konvensjonell MRI (se Mansfield P, J. Phys. C.10:L55-58

(1977)). Den nye teknikken ifølge oppfinnelsen representerer videre en forbedring av ytelsen til EPI, siden ESREMRI kan utføres ved å benytte primære magnetiske felt lavere i feltstyrke enn de primære feltene vanligvis benyttet i MRI, og kan således dra nytte av alle fordelene ved å operere ved

lavere primære feltstyrker.

Således, mens det i MRI-teknikker som tilbakeprojeksjon og to- eller tre-dimensjonale Fourier-transformasjons-generering av et enkelt bilde krever mange RF-eksitasjons-/FID-signaldeteksjonssykler, kan ved EPI en enkelt RF-eksitasjons-/FID-signal-deteksjonssyklus være alt som er nødvendig. Dette er gjort mulig ved ekkogenerering av FID-signaler ved hurtig og gjentatt svitsjing av polariteten til lesegradienten. Som et resultat av denne hurtige svitsjingen kan den magnetiske feltvariasjonen (dG/dt) opplevd av prøven som avbildes, være høy. Hurtige magnetiske feltendringer betraktes som uønsket for levende subjekter, men ved å operere ved de lavere primærfeltstyrkene på f.eks. 500 gauss eller under, særlig 200 gauss eller under, som er anvendbare for ESREMRI, kan det benyttes magnetiske feltgradienter med mindre størrelse enn det som er konvensjonelt i MRI, og som en følge av dette kan den magnetiske feltvariasjonen dG/dt i EPI reduseres, eller FID-signalutnyttelsen kan forbedres eller svitsje gradientpolariteten hurtigere.

I et første aspekt av foreliggende oppfinnelse er det således tilveiebrakt en fremgangsmåte for elektronspinn-resonansforbedret magnetisk resonansavbildning, og fremgangsmåten kjennetegnes ved at avbildningen utføres ved en ekkoplanar avbildningsteknikk.

Ifølge et annet aspekt ved foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for elektronspinn-resonansforbedret magnetisk resonansavbildning av et humant eller ikke-humant animalsk subjekt, hvor fri induksjonsdempings-signaldeteksjon utføres i løpet av påtrykning av en magnetisk feltlesegradient over nevnte subjekt. Denne fremgangsmåten kjennetegnes ved at polariteten til lesegradienten inverteres gjentatte ganger.

I et tredje aspekt av oppfinnelsen er det tilveiebrakt en magnetisk resonansavbildningsenhet tilpasset til å utføre ESREMRI, som omfatter gradient-påtrykkingsmidler for å påtrykke minst én magnetisk feltgradient over en prøve i avbildningsenheten, deteksjonsmidler for å detektere FID- signaler fra en slik prøve, første kontrollmidler for å kontrollere gradient-påtrykkingsmidlene, og andre kontrollmidler for å kontrollere virkemåten til deteksjonsmidlene. Resonansavbildningsenheten ifølge oppfinnelsen kjennetegnes ved at de første kontrollmidler er tilpasset til å påtrykke over en slik prøve magnetiske feltlesegradienter med alternerende polariteter, og ved at de andre kontrollmidler er tilpasset til å forårsake at deteksjonsmidlene settes i drift i løpet av minst en del av den tid hvor lesegradientene påtrykkes.

Utført som en "enkelt-skudds" avbildningsteknikk kan fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen således omfatte de følgende trinn: (a) om påkrevet, å introdusere et paramagnetisk kontrastmiddel i et subjekt, (b) om påkrevet, å påtrykke et primært magnetisk felt på nevnte subjekt, (c) å utsette nevnte subjekt for en første stråling ved en frekvens valgt for å eksitere en elektronspinn-resonansovergang i en paramagnetisk forbindelse, f .eks. nevnte paramagnetiske kontrastmiddel, nevnte subjekt, (d) å utsette nevnte subjekt for minst én puls av en andre stråling med en frekvens valgt for å eksitere kjernespinn-overganger i valgte kjerner i nevnte subjekt, (e) å påtrykke nevnte subjekt minst én rommelig informasjons-kodende magnetisk feltgradient, (f) å påtrykke nevnte subjekt en rekke magnetiske felt lese-gradientpulser, hvilke nevnte gradientpulser eller mengder av nevnte gradientpulser innen nevnte serier er av vekslende polariteter, (g) i løpet av ihvertfall deler av tiden i nevnte lesegradienten er påtrykket, å detektere det frie induksjonsdempingssignalet fra nevnte valgte kjerner, og (h) å generere fra nevnte detekterte signaler et bilde av i hvertfall deler av nevnte subjekt.

Hva trinn (b) i fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen angår, skal det bemerkes at fremgangsmåten kan utføres ved bruk av primærmagneter med svært lave feltstyrker, eller til og med ved bruk av jordens omsluttende magnetiske felt som det primære magnetiske feltet. Lavfeltsoperasjon av ESREMRI er drøftet i EP-A-296833 og i WO-A-90/02345.

I fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen bør det dynamiske kjernepolarisasjonstrinnet, trinn (c), komme foran, men kan overlappe med, den initielle pulsen av RF-stråling i RF-eksitasjons-/FID-signaldeteksjons-syklusen. Enhver forsinkelse mellom slutten av MW-pulsen og begynnelsen av RF-pulsen bør fortrinnsvis unngås eller holdes ved et minimum.

I fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan, i lesegradient-påtrykningstrinnet, trinn (f), suksessive gradientpulser variere i størrelse og/eller varighet dersom dette er ønskelig.

Tidsvariasjonene i lesegradienten (f.eks. Gx), og også de andre magnetiske feltgradientene, kan i fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse på en hvilken som helst måte være passende til bruk i enhver versjon av ekkoplanar avbildning. Således kan f.eks. Gx ganske enkelt gjentatte ganger reverseres i polaritet, eller, mer fordelaktig, den kan variere kontiuerlig, f.eks. tilnærmet sinusoidalt, eller den kan være diskontinuerlig, f.eks. opptre som diskrete blipp med vekslende polariteter. Litteraturen vedrørende EPI er omfattende, og leseren vises spesielt til publikasjonene til Mansfield og Rzedzian og deres samarbeidspartnere. Særlig oppmerksomhet i dette henseende trekkes til EP-A-270320 (Rzedzian), US-A-4628264 (Rzedzian), US-A-4165479 (Mansfield), GB-A-2056078 (Young), US-A-4384255 (Young), US-A-4509015 (Ordigde), GB-A-2128339 (Mansfield), EP-A-291282 (Mansfield, Rzedzian og Pykett, Radiology 161(P): 333 (1986), Bangert og Mansfield, J. Phys. E. 15: 235-239 (1982), Mansfield og Morris "Advances in Magnetic Resonance: NMR Imaging in Biomedicine", (J. S. Waugh Ed.) Suppl. 2, Academic Press, NY, 1982, Chapman et al., Magn. Res. Med. 5.: 246-254 (1987) og Mansfield og Pykett, J. Mag. Res. 29; 355-373 (1978. (Beskrivelsene i disse og alle andre dokumenter nevnt her inkorporeres herved som referanse) .

Ved konvensjonelle MRI-teknikker, f.eks. todimensjonale Fourier-informasjoner, kodes romlig informasjon inn i FID-signalet ved å påtrykke en rekke magnetiske feltgradienter på det primære magnetiske feltet, f.eks. ved å påtrykke gradienter i x-, y- og z-retningene ved forskjellige tidspunkt i RF-eksitasjons-/FID-signaldeteksjons-syklusen. Konvensjonelt påtrykkes en gradient, lesegradienten, i løpet av perioden når FID-signalene detekteres. Dette forårsaker imidlertid at FID-signalet dempes mye raskere enn det ville ha blitt uten lesegradienten, og FID-signalene er faktisk vanligvis sterke nok til å bli enkelt detektert i perioder av størrelsesorden IO"<4>sek., selv om T2i kroppen kan være av størrelsesorden 2-20 xIO"<2>sek. (FID-signalkonvolutten minner om en sink-funksjon, og passerer vanligvis først gjennom null ved 10 mikrosekunder). EPI-teknikken involverer gjentatt reversering av polariteten til lesegradienten slik at dens defasende effekt reverseres, og FID-signalet bygges opp igjen. Den karakteris-tiske dempningstiden for FID-signalets totale konvolutt (omhyl-ningskurve) således blir T2<*>og FID-signalet blir således utnyttet vesentlig mer effektivt. Dersom gradientreversering utføres etterat FID-signalet har dødd ut, vil et "ekko"-signal utvikles. Dersom gradientene reverseres før FID-signalet har dødd ut, f.eks. ved en rate på omkring 10 kHz, vil alternativt signalintensiteten bygges opp igjen før den er fullstendig utslukket. Selv om en slik rask gradientreversering fører til effektiv utnytting av FID-signalet, fører det imidlertid også til svært høye magnetiske., feltendrings-(dG/dt) verdier, og det kan være vanskelig å operere på denne måten ved bruk av konvensjonelle primærfeltstyrker og gradientstørrelser tilstrekkelig til å frembringe god nok romlig oppløsning, mens den magnetiske feltendringsverdien samtidig holdes innen akseptable grenser.

Ved siden av begrensningene påtrykt av teknikken ved data-ekstraksjon ved hjelp av Fourier-transformasjon, må, for at lesegradienten skal kunne kode romlig informasjon inn i FID-signalet, gradienten over hvert volumelement også være sammenlignbar med, og ikke større enn, de intrinsikke inhomogenitetene i det primære magnetiske feltet, f.eks. inhomogeniteter på grunn av ufullkommenheter i spolevinding og geometri, og/eller variasjoner i strømmen i magnetens vindinger.

Som forklart i EP-A-296833 gjør FID-signalforbedringen, som kan være over 10 0 ganger, som følge av bruk av ESREMRI-teknikken, deteksjonen av tilfredsstillende SN-forholdFID-signaler mulig, selv med primære magnetiske felt med ekstremt lav styrke. I samsvar med dette kan kombinasjonen av ESREMRI og EPI gjøre det mulig å bruke EPI ved primære magnetiske felt med lavere styrke, og således med høyere frekvens på lesegradientreverseringen, med mindre størrelse på lesegradientene, og med magneter med større inhomogeniteter (og som således er mindre dyre).

Ved bruk av mindre lesegradienter, oppnås en dobbelt fordel siden det ikke bare er den magnetiske feltendringen ved en versjon mindre, men gradientens FID-signalreduserende effekt er mindre.

Således, i en særlig foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen, er den primære feltstyrken mindre enn IT, fortrinnsvis mindre enn 0,8T, særlig fortrinnsvis mindre enn 0,1T, ytterligere mer fortrinnsvis mindre enn 0,08T (800 gauss) og særlig fortrinnsvis 200 gauss eller mindre, f.eks.

20 til 200 gauss.

Ved bruk av gradientreversering er det mulig på en enkel måte å forbedre SN-forholdet til det totale detekterte FID-signalet ved en faktor i størrelsesorden Ne<K>(hvor Ne er antall reverseringer, når det antas at Ne x 2t er mindre enn eller mye mindre enn T2, hvor 2 x er avstanden mellom FID-ekkoene) . Så langt kunne EPI ganske enkelt vært brukt som en modifikasjon av en konvensjonell MR-avbildningsprosedyre, så som en todimensjonal Fourier-transformasjon, osv.

Hovedattraksjonen ved EPI, er imidlertid at det er mulig ved bruk av denne teknikk å redusere antall RF-eksitasjons-/ FID-signaldeteksjonssykluser nødvendig for generering av N x N voxelbilder fra omkring N (vanligvis 64 til 1024) ned til så lavt som 1. For å oppnå dette, er det nødvendig å variere de påtrykte kodende gradientene (f.eks. lese- og fasekodings-gradientene) f.eks. opp til N ganger, innen (enden av) hver syklus. Siden slike sykluser i konvensjonell MRI må plasseres omkring ett sekund fra hverandre for å tillate kjernespinn-systemet å relaksere mot likevekt, kan bildeinnhentingstiden, den totale tiden påkrevd for å samle inn alle data nødvendig for å generere ett bilde, således reduseres fra så mye som 10-3 0 min. ned til størrelsesorden T2, f.eks. 0,1 sek.

Hva ESREMRI angår, tilbyr bruk av EPI-teknikken således sjansen til å redusere den totale MW-bestrålingen av subjektet ved å redusere antall RF-eksitasjons-/FID-signaldeteksjonssykluser, og således antall MW-bestrålingsperioder nødvendig for innhenting av ett enkelt bilde. Mest ønskelig ville for fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse være en såkalt enkeltskudds-avbildningsprosedyre som krever kun én periode hvor subjektet er utsatt for MW-stråling for å generere den ønskede dynamiske kjernepolarisasjonen innen kjernespinnsystemet i kjernene ansvarlig for de detekterte FID-signalene. I løpet av denne perioden kan MW-bestrålingen være kontinuerlig eller diskontinuerlig.

Siden EPI-teknikken kan benytts til å redusere antall MW-bestrålingsperioder, for hver bildeinnhentingsperiode, kan høyere MW-bestråling i løpet av (hver) MW-bestrålingsperiode tolereres. Dette er særlig tilfelle for enkeltskudds-avbildning i samsvar med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, hvor bildedannelse krever at subjektet utsettes for MW-bestråling i løpet av kun én dynamisk kjernepolarisasjon (DNP) genereringsperiode, vanligvis 10 til 10<5>ms, fortrinnsvis 2000 til10<4>ms, særlig fortrinnsvis 500 til 2000 ms.

I samsvar med dette er det ved å benytte fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen mulig å oppnå en høyere metningsgrad av ESR-overgangen, og å ha en høyere grad av DNP av den paramagnetiske forbindelse ved bruk av høyere MW-effektnivåer, i løpet av DNP-perioden, eller det er alternativt mulig å benytte paramagnetiske forbindelser med bredere ESR-linjebredder enn verdiene foreslått i EP-A-296833 som kontrastmidler.

Spesielt gjelder det at ved å benytte fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er det mulig å benytte som paramagnetiske kontrastmidler forbindelser med ESR-linjebredder på opp til 2 gauss, f.eks. fra 0,01 til 2 gauss, fortrinnsvis opp til 1,5 gauss, særlig fortrinnsvis mellom 1,0 og 1,5 gauss. Således er mengden paramagnetiske forbindelser som kan benyttes som ESREMRI-kontrastmidler signifikant utvidet ved den foreliggende oppfinnelsen, og mens linjebreddene i konvensjonelt foretrukne MRI T^-kontrastmidler inneholdende gadolinium, så som Gd DTPA, Gd-DTPA-bismetylamid, Gd DOTA, Gd D03A osv. , fortsatt vil være for stor for at disse forbindelsens skal fungere effektivt som ESREMRI FID-signalforsterkende kontrastmidler, gjør den foreliggende oppfinnelse det mulig å benytte visse materialer med relativt smale ESR-overgangs-linjebredder som ESREMRI-FID signal-forsterkende kontrastmidler .

Et ytterligere trekk ved den foreliggende oppfinnelse er derfor at det tilveiebringes et kontrastmedium til bruk ved forsterkning av FID-signaler i ESREMRI-fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, hvilket kontrastmiddel omfatter et fysiologisk tolererbart paramagnetisk materiale, som i sitt ESR-spektrum har en overgang med en linjebredde på mellom 1 og 2 gauss, sammen med minst én bærer eller ekspisient.

Et ytterligere trekk ved oppfinnelsen er at den også tilveiebringer bruk av slike paramagnetiske materialer til tilvirkning av et diagnostisk middel til bruk i en fremgangsmåte for ESREMRI-avbildning av et humant eller ikke-humant animalsk subjekt.

Som nevnt ovenfor er en av de mest signifikante fordeler ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen at den tillater bruk av ESREMRI med høy-relaksivitetsparamagnetiske materialer som FID-signalforsterkende kontrastmidler. Økt relaksivitet er ønskelig, selv om det vanligvis forbindes med økt ESR-linjebredde, siden det betyr at effektiviteten til kontrastmidlet med hensyn til påkrevd dosering også økes. Således er det ved å benytte fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen mulig, og faktisk ønskelig, å benytte paramagnetiske materialer med en kvalitets-faktor Q på minst 1, fortrinnsvis minst 1,3, særlig fortrinnsvis minst 1,4, hvor Q er definert som følger hvor Ri er T^-relaksiviteten i mM^s'<1>, og LW er ESR-overgangens linjebredde i gauss. For disse formål kan relaksivitet måles som regresjonskoeffisienten, eller gradienten B i ligningen

hvor x er konsentrasjonen-i mM av den paramagnetiske forbindelsen, og y er l/TIO (i sek"<1>- T10er spinn-gitter-relaksasjonstiden Tl og løsningen inneholdende den paramagnetiske forbindelse) , og A er verdien av l/Ti(i sek"<1>) ved fravær av den magnetiske forbindelsen) f.eks. i en referanse vann-/glycerol-blanding (17:8 etter volum ved 37°C) .

Et ytterligere trekk ved oppfinnelsen er at det tilbys en diagnostisk blanding til bruk i ESREMRI-fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, hvilken blanding omfatter et fysiologisk tolererbart paramagnetisk materiale med en kvalitetsfaktor på minst 1, fortrinnsvis minst 1,5, sammen med minst én fysiologisk tolererbar bærer eller eksipient.

ESR-linjebreddene referert til her er de fulle breddene ved halvt maksimum av absorpsjonsspekteret ved avbildende , betingelser, f.eks. ved de avbildede stedene. Særlig ønskelig er det imidlertid at linjebredde-kriteriene tilfredsstilles ved de lokale konsentrasjonsgrensene nevnt nedenfor.

Konstrastmediet kan, ved siden av det paramagnetiske materialet, inneholde hjelpeforbindelser som er vanlig for terapeutiske og diagnostiske forbindelser i human- eller veterinær-medisin. Således kan midlene f.eks. omfatte løsende midler, emulgatorer, viskositetsforbedrer, buffere, osv. Midlene kan være i former passende for parenteral (f.eks. intravenøs) eller enteral (f.eks. oral) tilførsel, f.eks. for tilførsel direkte inn i kroppshulrom med eksternt forbundne kanaler (så som fordøyelseskanalen, blæren og livmoren), eller for injeksjon eller infusjon inn i hjerte-kar-systemet. Imidlertid vil løsninger, suspensjoner og dispersjoner i fysiologisk tolererbare media vanligvis være foretrukket.

For bruk ved in vivo diagnostisk avbildning, kan kontrast-mediet, som fortrinnsvis vil være hovedsakelig isotonisk, passende tilføres ved en konsentrasjon tilstrekkelig til å gi en 1 mikromolar til 10 mM konsentrasjon av den paramagnetiske forbindelse ved avbildningssonen. Imidlertid vil den presise konsentrasjonen og doseringen avhenge av en rekke faktorer som giftighet, kontrastmiddelets evne til å målsøke spesifikke organer, og tilførselsvei. Den optimale konsentrasjon for den paramagnetiske forbindelsen, representerer en balanse mellom ulike faktorer. Når det opereres med en primærmagnet som genererer et 0,0 T-felt, kan vanligvis optimale konsentrasjoner ligge i området 1 til 10 mM, særlig 3 til 9 mM, ytterligere innskrenket til 4 til 8 mM og særlig 4,5 til 6,5 mM. Komposi-sjoner for intravenøs tilførsel vil fortrinnsvis inneholde det paramagnetiske materialet ved konsentrasjoner på 10 til 1000 mM, særlig fortrinnsvis 50 til 500 mM. For å avbilde urinveis-systemet kan det imidlertid kanskje benyttes komposisjoner med konsentrasjoner på f.eks. 10 til 200 mM. Videre kan konsentra-sjonen ved injeksjon i bolus passende være 1 til 10 mM, fortrinnsvis 3 til 9 mM, osv.

Nok et ytterligere trekk ved oppfinnelsen er at den tilveiebringer et kontrastmedium til bruk i ESREMRI-fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, hvilket kontrastmedium omfatter et fysiologisk tolererbart paramagnetisk materiale, f.eks. et stabilt fritt radikal, f.eks. et nitroksid, ved en konsentrasjon på fra 50 til 500 mM i en steril fysiologisk tolererbar flytende bærer, hvilket nevnte paramagnetiske materiale har en ESR-overgang med en linjebredde på minst 1 gauss og opp til 2 gauss, fortrinnsvis opp til 1,5 gauss, særlig fortrinnsvis fra 1,2 til 1,5 gauss.

Det paramagnetiske materialet i kontrastmediet ifølge oppfinnelsen vil fortrinnsvis oppvise ESR-linjebredder på mindre enn 2 gauss, særlig foretrukket mindre enn 1,5 gauss, ved konsentrasjoner på opp til 10 mM, særlig ved 1 eller 2 mM, eller til og med noe høyere.

Ved siden av de nye kontrastmediene ifølge oppfinnelsen, kan tidligere kjente ESREMRI-kontrastmedia, f.eks. dem beskrevet i EP-A-296833, selvsagt benyttes i fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse.

Enda et ytterligere trekk ved oppfinnelsen er at den tilveiebringer en magnetisk resonansavbilder tilpasset for å utføre ESREMRI, som omfatter gradientpåtrykkende midler for å påtrykke minst én magnetisk feltgradient over en prøve i nevnte avbilder, deteksjonsmidler for å detektere FID-signaler fra nevnte prøve, første kontrollmidler for å kontrollere nevnte gradientpåtrykkende midler, og andre kontrollmidler for å kontrollere virkemåten til nevnte deteksjonsmidler,karakterisert vedat nevnte første kontrollmidler er tilpasset til å påtrykke over nevnte prøve magnetiske feltlesegradienter med alternerende polariteter, og ved at nevnte andre kontrollmidler er tilpasset til å forårsake at nevnte deteksjonsmidler settes i drift i løpet av minst deler av tiden når de nevnte

lesegradientene er påtrykket.

Kontrollmidlene i apparaturen ifølge oppfinnelsen omfatter fortrinnsvis en datamaskin, som kan fungere som både de første og de andre kontrollmidlene. Fortrinnsvis vil disse kontrollmidlene også tjene til å kontrollere påtrykningen av de andre feltgradientene, og særlig fortrinnsvis også MW- og RF-kildene, f.eks. å velge frekvens-båndbreddene og sentralfrekvensene til MW- og RF-pulsene emmitert i løpet av bildeinnhentings-prosedyren. Videre vil datamaskinen fortrinnsvis være tilpasset for å manipulere de detekterte FID-signalene for å generere ett eller flere MR-bilder av subjektet.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er særlig egnet til avbildning av prøver med relativt liten diameter (f.eks. laboratoredyr, lemmer og andre subjekter for hvilke en prøve-blender-diameter i den avbildende apparaturen på opp til 2 0 cm, og fortrinnsvis opp til 10 cm, vil være tilstrekkelig) og for studier av dynamiske heller enn statiske systemer, hvor den relative viktigheten av tidsmessig fremfor rommelig oppløsning øker.

Foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet ved hjelp av eksempel og med referanse til de vedføyde tegninger, hvor: Fig. 1 er et skjematisk diagram av en ESREMRI-avbilder ifølge oppfinnelsen, og

fig. 2 og 3 er skjematiske diagram av tidssekvensene for MW og RF-pulsene, lesegradient-påtrykning, FID-signalene og FID-signaldeteksjon ved enkeltskudds avbildningsprosedyrer utført i samsvar med fremgangsmåten i den foreliggende oppfinnelse.

Det vises til fig. 1 hvor det er vist et ESREMRI-apparat 1, med et subjekt 2, dosert med et paramagnetisk kontrastmiddel (f.eks. en 30 g mus dosert med 0,5 mmol/kg av et paramagnetisk kontrastmiddel, f.eks. PROXYl D, PROXYL H, 4-amino-TEMPO, TEMPOL eller et annet kommersielt tilgjengelig nitroksid-stabilt radikal), plassert ved aksen av viklingene til en elektromagnet 3. Kraft fra DC-forsyning 4 til elektromagnet 3 gjør det mulig å generere det primære magnetiske feltet, f.eks. et 200 gauss felt.

Apparaturen er videre forsynt med resonatorer 5 og 6 for å emittere den andre (RF) og første (MW) stråling henholdsvis.

Resonator 5 er forbundet med RF-transceiver 7 drevet av kraft-forsyning 8 og resonator 6 er forbundet, f.eks. ved bølge-ledere, til mikrobølge-generator 9 som er drevet av kraftforsyning 10. Resonatorene, særlig resonator 6, kan være såkalte løkkegap-resonatorer.

Mikrobølge-generator 9 kan være tilpasset til å emittere MW-stråling med mer enn én maksimumsfrekvens, og å kunne eksitere mer enn én ESR-overgang.

Frekvensvalget, båndbredden, pulsvarigheten og pulstimingen til den andre og første strålingen emittert av resonatorene 5 og 6 kontrolleres ved kontroll-datamaskin 11 og grensesnittmodul 18. Datamaskinen 11 kontrollerer også kraftforsyningen fra effektkildene 12, 13 og 14 til de tre parene av Helmholtz-spoler 15, 16 og 17. Spolene i spolepar 15 er koaksiale med spolene til elektromagnet 3, og sadelspolene i spolepar 16 og 17 er anordnet symmetrisk omkring den aksen, Z-aksen, med deres egne akser gjensidig vinkelrett og vinkelrett på Z-aksen. Spolepar 15, 16 og 17 benyttes til å generere de magnetiske feltgradientene som er overlagret på hovedfeltet ved forskjellige trinn i avbildningsprosedyren, og tidssekvensen for drift av spoleparene og for drift av MW-generatoren og RF-transceiveren kontrolleres av datamaskinen 11 og grensesnittmodulen 18.

Når det skal benyttes et kontrastmiddel som har et multiplett i sitt ESR-spektrum, kan apparaturen også være forsynt med en dekopler som omfatter en ytterligere RF-resonator 19 (vist med stiplede linjer) forbundet med en RF-sender og en (ikke vist) kraftforsyning, og kontrollert av datamaskin 11. Dekopleren kan drives til å emittere en tredje stråling ved en frekvens valgt for å eksitere kjernespinn-overgangen i null-spinnkjerner i kontrastmidlet.

Ved bruk i MRI, slås kraftforsyningen til elektromagneten 3 på og et hovedsakelig uniformt magnetisk hovedfelt genereres inne i hulrommet innenfor viklingene. Størrelsen av hovedfeltet generert av elektromagnet 3 vedlikeholdes hovedsakelig konstant gjennom hele avbildningsprosedyren.

Subjektet 2, f.eks. en pasient, plasseres inne i spolehulrommet, og etter en kort forsinkelse, f.eks. noen sekunder, kan avbildningsprosedyren begynne.

Avbildningsprosedyren benyttet, f.eks. sekvensen å utsette subjektet 2 for RF-stråling fra resonator 5, påtrykning av feltgradienter ved spolepar 15, 16 og 17 og deteksjon av FID-signalet ved transceiver 7, kan være hovedsakelig som i enhver konvensjonell EPI-teknikk (f.eks. som beskrevet i Mansfield- og Rzedzian-referansene nevnt ovenfor) med tillegg av en periode DNP-genererende MW-eksponering ved begynnelsen av (hver) RF-eksitasjons-/FID-signaldeteksjonssyklusen. I (hver) syklus bør den DNP-genererende MW-eksponeringsperiode vanligvis holdes til det minimalt påkrevde for å generere den ønskede grad av DNP (graden av DNP = (Pex - Pgs)/(Pgs - Pex ) hvor Pex og

Pgs er de eksiterte og grunntilstands-kjernespinntilstands-populasjonene, og Pgs og Pex er grunntilstands- og

eksiterte kjernespinntilstands-populasjonen ved termisk likevekt). Mens det kan være noe overlapp mellom periodene for RF- og MW-bestråling, vil det således vanligvis ikke være overlapp mellom MW-bestråling og FID-signaldeteksjonsperioder.

Som eksempel er timingsekvenser for enkeltskudds-avbildning vist skjematisk i fig. 2 og 3. I sekvensen på fig. 2 er reverseringsraten for lesegradienten tilstrekkelig langsom, f.eks. 0,5 ms mellom reverseringene, til at FID-signalet utslukkes fullstendig mellom reverseringene, og gjenopptrer som et ekko etter reverseringen. I sekvensen på fig. 3 utføres lesegradient-reversering svært hurtig, f.eks. med 50 mikrosekunder mellom reverseringene, slik at signalet ikke dør fullstendig ut mellom reverseringene.

Fasekoding (Gy) og slissevalg (Gz) gradienttider er også vist skjematisk i fig. 2 og 3. Det vil forstås at gradient-størrelsene kan, som vanlig med EPI-teknikker, varieres i løpet av gradientpåtrykkings- og deteksjonssekvensen, for å gjøre det mulig å kode den rommelige informasjonen for genereringen av et fullt bilde inn i FID-signalene og ekkoene.

Ved bruk av fremgangsmåten og apparaturen ifølge oppfinnelsen, kan signifikante reduksjoner av MW-eksponeringer ved ESREMRI oppnås, og mengden av kontrastmidler anvendbare ved ESREMRI utvides.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for elektronspinn-resonansforbedret magnetisk resonansavbildning,karakterisertved at avbildningen utføres ved en ekko-planar avbildningsteknikk.

2. Fremgangsmåte for elektronspinn-resonansforbedret magnetisk resonansavbildning av et humant eller ikke-humant animalsk subjekt, hvor fri induksjonsdempings-signaldeteksjon utføres i løpet av påtrykning av en magnetisk feltlesegradient over nevnte subjekt,karakterisert vedat polariteten til nevnte lesegradient inverteres gjentatte ganger.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert vedat den omfatter de følgende steg: (a) om påkrevet, å introdusere et paramagnetisk kontrastmiddel inn i subjektet, (b) om påkrevet, å påtrykke et primært magnetisk felt på subjektet, (c) å utsette subjektet for en første stråling med en frekvens valgt for å eksitere en elektronspinn-resonansovergang i en paramagnetisk forbindelse i subjektet, (d) å eksponere subjektet for minst én puls av en andre stråling med en frekvens valgt for å eksitere kjernespinn-overganger i valgte kjerner i subjektet, (e) å påtrykke på subjektet minst én romlig informasjons-kodende magnetisk feltgradient, (f) å påtrykke på subjektet en rekke magnetiske feltlese-gradientpulser, hvilke gradientpulser eller mengder med slike gradientpulser i rekken er av alternerende polariteter, (g) i løpet av minst en del av tiden når lesegradientene påtrykkes, å detektere det frie induksjonsdempingssignalet fra de valgte kjerner, og (h) å generere fra de detekterte signaler et bilde av minst en del av subjektet.

4. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat avbildningen utføres ved bruk av en primær magnetisk feltstyrke på mindre enn IT.

5. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat avbildningen utføres ved bruk av en primær magnetisk feltstyrke mindre enn 0,1T.

6. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat avbildningen foretas ved bruk av en primær magnetisk feltstyrke på fra 20 til 200 gauss.

7. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av de foregående krav,karakterisert vedat det omfatter å introdusere inn i subjektet en fysiologisk tolererbar paramagnetisk forbindelse med en ESR-linjebredde på opp til 2 gauss.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert vedat den paramagnetiske forbindelse har en ESR-linjebredde på inntil 1,5 gauss.

9. En magnetisk resonansavbildningsenhet (1) tilpasset til å utføre ESREMRI, som omfatter gradient-påtrykkingsmidler (15, 16, 17) for å påtrykke minst én magnetisk feltgradient over en prøve (2) i avbildningsenheten, deteksjonsmidler (7) for å detektere FID-signaler fra en slik prøve, første kontrollmidler (11) for å kontrollere gradient-påtrykkingsmidlene, og andre kontrollmidler (11) for å kontrollere virkemåten til deteksj onsmidlene, karakterisert vedat de første kontrollmidler er tilpasset til å påtrykke over en slik prøve magnetiske feltlesegradienter med alternerende polariteter, og ved at de andre kontrollmidler er tilpasset til å forårsake at deteksjonsmidlene settes i drift i løpet av minst en del av den tid hvor lesegradientene påtrykkes.

10. Avbildningsenhet ifølge krav 9,karakterisert vedat den omfatter en datamaskin (11), tilpasset til å fungere som nevnte første og andre kontrollmidler.