PL224915B1

PL224915B1 - Sposób uzyskiwania obrazów elektronowych czasów relaksacji T₁ w tomografii EPR oraz układ do lokalizacji zmian nowotworowych metodą obrazowania EPRI

Info

Publication number: PL224915B1
Application number: PL390887A
Authority: PL
Inventors: Jan Jurga; Kazimierz Jurga; Mikołaj Baranowski; Tomasz Czechowski; Eugeniusz Szcześniak
Original assignee: Mikołaj Baranowski; Tomasz Czechowski; Jan Jurga; Kazimierz Jurga; Politechnika Poznańska; Eugeniusz Szcześniak
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2017-02-28
Also published as: PL390887A1; EP2378281A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób uzyskiwania obrazów elektronowych czasów relaksacji T₁w tomografii EPR oraz układ do lokalizacji zmian nowotworowych metodą obrazowania EPRI.

Obrazowanie metodą EPR (electron paramagnetic resonance) może dostarczyć danych o farmakokinetyce wolnych rodników i stężeniu tlenu w tkankach. Stwierdzenie obecności tlenu w tkankach stanowi bardzo ważną informację przy leczeniu nowotworów w terapii onkologicznej. W związku z faktem, że wolne rodniki w tkankach występują w małych stężeniach, natomiast ich czasy życia są bardzo krótkie, przyjmuje się, że na tym etapie badań należy wprowadzić z zewnątrz rodnik o wystarczająco długim czasie życia oraz odpowiedniej koncentracji. Jednym z takich związków jest Lithium phthalocyanine LiPc [H. B. Stone, J. M. Brown, T. L. Phillips and R. M. Sutherland, Radiat. Res. 136 (1993) 422-434, J. J. Jiang, T. Nakashima, K. J. Liu, et al., J. Appl. Physiol. 80 (1996) 552-558], którego szerokość linii EPR w znacznym stopniu zależy od stężenia tlenu w jego otoczeniu. Ze względu na głębokość wnikania promieniowania elektromagnetycznego w materię ożywioną standardowe spektrometry EPR pracujące na częstotliwościach mikrofalowych są nieprzydatne do wykonywania obrazowania EPR. Z tego względu w praktyce stosuje się niższe częstotliwości z zakresu radiowego (RF), co pociąga za sobą spadek stosunku sygnału do szumu (S/N).

Do obrazowania niewielkich obiektów biologicznych stosuje się obecnie metody impulsowe [R. W. Quine, G. W. Rinard, S. S. Eaton, et all, Cone. Magn. Reson. (Magn. Res. Engineer) 15 (2002) 59-91; G. G. Maresh, M. Mehring, S. Emid, Physica 138B (1986) 261-263] oraz metody z wykorzystaniem fali ciągłej (CW) [M. Alecci, S. Dellapenna, A. Sotgui, Rev. Sci. Instrum. 63 (1992) 42634270; H. J. Halpern, D. P. Spencer, J. van Polen, Rev. Sci. Instrum. 60 (1989) 1040-1050].

W standardowym obrazowaniu w oparciu o techniki fali ciągłej wykorzystuje się stały w czasie przemiatania gradient pola magnetycznego. Po każdym pomiarze orientacja gradientu ulega obrotowi o stały kąt, zależny od ilości projekcji, przy czym kąt obrotu zmienia się w zakresie od 0° - 180° dla obrazowania 2D. Minimalny czas pomiaru jednej projekcji waha się w granicach 1 + 2 s, przy czym ze względu na niski stosunek sygnału do szumu S/N w obecności gradientu wymagana jest akumulacja sygnału, która w obrazowaniu in vivo wydłuża czas pomiaru nawet do 30 minut. Należy zaznaczyć, że uzyskany obraz pokazuje jedynie przestrzenne rozmieszczenie rodnika, nie daje żadnych informacji o otoczeniu w jakim się on znajduje. Z uwagi na to, że metoda EPR jest znacznie czulsza na wykrycie zmian w lokalnym środowisku rodników, aniżeli metoda MRI (magnetic resonance imaging), obrazowanie metodą EPR jest potencjalnie bardziej użyteczne niż obrazowanie techniką MRI. Aby było możliwe uzyskanie informacji na temat otoczenia, w którym znajduje się rodnik, należy dla każdej projekcji uzyskać informację nie tylko o przestrzennym, ale również o widmowym rozkładzie. W tym celu stosowana jest dodatkowa dla każdej projekcji osobno technika obrazowania przestrzenno-widmowa (spectra-spatial) [S. S. Eaton, G. R. Eaton, Spectroscopy 1 (1986) 32-35; U. Ewert, T. Herrling, Chem. Phys. Lett. 129 (1986) 516-520; P. Kuppusamy, M. Chzhan, P. H. Weng, Magn. Res. Med. 35 (1996b) 323-328; P. C. Lauterbur, D. N. Levin, R. B. Marr, J. Magn. Res. 59 (1984) 536-541; M. M. Maltempo, J. Magn. Res. 69 (1986) 156-163]. W praktyce oznacza to kilkukrotne wydłużenie czasu pomiaru przez wykonanie, co najmniej kilku dodatkowych pomiarów dla każdej orientacji gradientu.

Sposobem pozwalającym na znaczne przyśpieszenie wykonywania pomiarów jest wykorzystanie metody szybkiego przemiatania pola magnetycznego RS (rapid scan) [J. P. Joshi, J. R. Ballard, J. A. Rinard, et al., J. Magn. Res. 175 (2005) 44-51; J. W. Stoner, D. Szymański, S. S. Eaton, J. Magn. Res. 170 (2004) 127-135; M, Tsetlin, A. Dhami, S. S. Eaton, G. R. Eaton, J. Magn. Res. 184 (2007) 157-168; M. Tsetlin, T. Czechowski, S. S. Eaton, G. R. Eaton, J. Magn. Res. 194 (2008) 212-221; M. Tsetlin, T. Czechowski, R. W. Quine, S. S. Eaton, G. R. Eaton, J. Magn. Res. 196 (2009) 48-53; R. W. Quine, T. Czechowski, G. R. Eaton, Magn. Res. Eng. 35B (2009) 44-58]. W metodzie tej nie stosuje się drugiej modulacji, a jedynie szybkie przemiatanie pola magnetycznego (o częstotl iwości 1-20 kHz), przy czym można stosować przemiatanie sinusoidalne bądź trójkątne. Brak drugiej modulacji powoduje, że nie ma potrzeby stosowania dodatkowej detekcji fazowej, w efekcie otrzymuje się widmo absorpcyjne, a nie jego pierwszą pochodną. Wynikiem tego jest skrócenie czasu pomiaru jednej projekcji nawet do 50 μβ. W praktyce ze względu na niski stosunek sygnału do szumu widmo należy akumulować. Mimo to omawiana technika RS z powodzeniem wypiera tradycyjnie stosowaną metodę fali ciągłej, ze względu na kilkukrotne skrócenie czasu pomiaru.

W ostatnim czasie wykorzystana została technika rotacyjnego gradientu do obrazowania z wykorzystaniem techniki RS [S. Subramanian, J. Kościelniak, N. Devasahayam, J. Magn. Res. 186

PL 224 915 B1 (2007) 212-219], która w znacznym stopniu skraca czas pomiaru. W metodzie tej wykorzystuje się rotacje gradientu w czasie przemiatania pola magnetycznego, przy czym częstotliwość rotacji gradientu powinna być przynajmniej 4 razy większa od częstotliwości przemiatania. To ograniczenie w prakt yce powoduje używanie relatywnie niskich częstotliwości przemiatania rzędu 1 kHz.

Przydatność metod impulsowych, szeroko rozpowszechnionych w obrazowaniu NMR (nuclear magnetic resonance), ograniczona jest bardzo krótkim czasem relaksacji spin-spin T₂, jak i spin-siatka T₁ dla większości rodników. Jedną z najczęściej stosowanych technik w diagnostyce impulsowej EPR jest metoda detekcji składowej poprzecznej magnetyzacji, którą stosuje się w celu pomiarów czasu relaksacji T₂ jak i T₁. Jednakże związane z krótkimi czasami relaksacji znaczne poszerzenie szerokości linii rezonansowych, powoduje nieprzydatność tych metod do obrazowania w technice EPR. Dodatkowym problemem jest skrócenie czasu relaksacji T2 wynikające z racji obecności gradientu pola, który przy znacznych gradientach powoduje zanik sygnału indukcji swobodnej (FID) zachodzącym w czasie martwym spektrometru. Efekt ten utrudnia, a wręcz uniemożliwia wykonanie pomiaru.

Powyższych ograniczeń pozbawiona jest nowa metoda pomiaru czasu relaksacji spin-siatka T₁wykorzystująca szybkie przejścia adiabatyczne, oraz detekcję składowej podłużnej magnetyzacji.

Celem wynalazku jest sposób uzyskiwania obrazów elektronowych czasów relaksacji T₁ w tomografii EPR w oparciu o szybkie przejścia adiabatyczne, przy modulacji częstotliwości i detekcji składowej podłużnej magnetyzacji.

Celem wynalazku jest również układ do realizacji tego sposobu, które wykorzystuje tradycyjną technikę EPR wraz ze zmodyfikowanymi komponentami stosowanymi w zakresie częstotliwości radiowych, umożliwiającymi detekcję kwadraturową przy zastosowaniu techniki opartej na modulacji częstotliwości umożliwiającej rejestrację przejść adiabatycznych.

Istotą wynalazku jest sposób uzyskiwania obrazów elektronowych czasów relaksacji T1 w tomografii EPR, polegającej na pomiarze rozkładu czasów relaksacji „spin-siatka” spinów elektronowych podczas oddziaływania na próbkę wieloskładnikowym polem magnetycznym, zawierającym stałe zewnętrzne pole magnetyczne, pole gradientowe oraz pole skanujące charakteryzujące się tym, że celem uzyskania projekcji czasów relaksacji T₁ ustala się w pierwszym rezonatorze 8 zadaną modulację, czas jej realizacji i repetycji, natomiast w drugim rezonatorze 9 amplitudę sygnałów EPR proporcjonalną do magnetyzacji próbki mierzonej w warunkach szybkich przejść adiabatycznych, w obecnośc i gradientu pola magnetycznego, w następujących warunkach przemiatania:

a) gdy modulację realizuje się poprzez zmianę częstotliwości generatora;

b) gdy modulację realizuje się poprzez zmianę pola magnetycznego;

c) gdy modulację realizuje się poprzez dowolną kombinację zmian częstotliwości generatora i pola magnetycznego, z wielkości magnetyzacji wyznaczonej dla różnych czasów repetycji modulacji wyznacza się wartość czasu relaksacji dla każdego punktu zarejestrowanych widm wg następującego wzoru:

T_ — e^ri T_ + eA gdzie T - jest odstępem czasu pomiędzy modulacjami, M₁ - magnetyzacją próbki zmierzoną w przypadku stosowania powtórzeń modulacji z czasem T, M_o - wartością magnetyzacji w równowadze, po czym wykonując w znany sposób konwolucję tak otrzymanych danych czasów relaksacji T₁z kształtem korzystnie typu Lorentza lub/i Gaussa, uzyskuje się projekcje czasów relaksacji T₁, które następnie w znany sposób mogą być użyte do zrekonstruowania obrazu jednowymiarowego, dwuwymiarowego lub trójwymiarowego.

Korzystnym jest gdy wieloskładnikowe pole magnetyczne stanowią stale zewnętrzne pole m agnetyczne, pole gradientowe oraz skanujące pole magnetyczne o kształcie sinusoidalnym, trójkątnym, krokowym lub innym.

Korzystnym jest także gdy rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się przy okresie powtórzeń szybkiej modulacji częstotliwości źródła o dowolnym kształcie zmian ró wnej w przybliżeniu czasowi relaksacji T₁ oraz odpowiednio większej.

Korzystnym jest także gdy rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się przy okresie powtórzeń szybkiej modulacji częstotliwości źródła o dowolnym kształcie zmian różnej od czasu relaksacji T₁ oraz odpowiednio większej.

PL 224 915 B1

Również korzystnym jest gdy rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się przy dowolnej kombinacji okresów powtórzeń szybkiej modulacji częstotliwości źródła o dowolnym kształcie zmian.

Korzystnym jest także gdy rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się przy okresie powtórzeń szybkiej modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian równej w przybliżeniu czasowi relaksacji T oraz odpowiednio większej, przy stałej lub zmiennej częstotliwości źródła.

Korzystnym jest także gdy rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się przy okresie powtórzeń szybkiej modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian różnej od czasu relaksacji T₁ oraz odpowiednio większej, przy stałej lub zmiennej częstotliwości źródła.

Również korzystnym jest gdy rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się przy dowolnej kombinacji okresów powtórzeń szybkiej modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian przy stałej częstotliwości źródła.

Ponadto korzystnym jest gdy rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się przy okresie powtórzeń szybkiej modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian równej w przybliżeniu czasowi relaksacji T₁ oraz odpowiednio większej, przy narastającej częstotliwości źródła o dowolnym kształcie zmian.

Ponadto korzystnym jest gdy rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się przy okresie powtórzeń szybkiej modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian różnej od czasu relaksacji T₁ oraz odpowiednio większej, przy narastającej częstotliwości źródła o dowolnym kształcie zmian.

Korzystnym jest także gdy rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się przy okresie powtórzeń szybkiej modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian równej w przybliżeniu czasowi relaksacji T₁ oraz odpowiednio większej, przy malejącej częstotliwości źródła o dowolnym kształcie zmian.

Korzystnym jest także gdy rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się przy okresie powtórzeń szybkiej modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian różnej od czasu relaksacji Ti oraz odpowiednio większej, przy malejącej częstotliwości źródła o dowolnym kształcie zmian.

Korzystnym jest gdy rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się przy okresie powtórzeń szybkiej modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian równej w przybliżeniu czasowi relaksacji T₁ oraz odpowiednio większej, przy dowolnych zmianach częstotliwości źródła.

Korzystnym jest gdy rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się przy okresie powtórzeń szybkiej modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian różnej od czasu relaksacji Ti oraz odpowiednio większej, przy dowolnych zmianach częstotliwości źródła.

Również korzystnym jest gdy rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się przy dowolnej kombinacji okresów powtórzeń szybkiej modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian przy narastającej częstotliwości źródła o dowolnym kształcie zmian.

Korzystnym jest gdy rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się przy dowolnej kombinacji okresów powtórzeń szybkiej modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian przy malejącej częstotliwości źródła o dowolnym kształcie zmian.

Korzystnym jest także gdy rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się przy dowolnej kombinacji okresów powtórzeń szybkiej modulacji pola magnetycznego o dowoln ym kształcie zmian przy dowolnych zmianach częstotliwości źródła.

Korzystnym jest także gdy sygnał EPR uzyskuje się metodą przejść adiabatycznych.

Istota układu według wynalazku polega na tym, że źródło sygnału o modulowanej częstotliwości radiowej jest przyłączone do wejścia pierwszego rezonatora, z kolei sygnał z drugiego rezonatora przyłączony jest do układu detekcyjnego, którego wyjście jest przyłączone do komputera. Jedno z wyjść komputera przyłączone jest do zasilaczy cewek skanujących, cewek stałego pola magnetycznego i cewek gradientowych, drugie natomiast do układu nadawczego.

Korzystnym jest gdy drugi rezonator ustawiony jest ortogonalnie względem pierwszego oraz równolegle względem orientacji stałego pola magnetycznego.

Dzięki zastosowaniu sposobu pomiaru elektronowych czasów relaksacji T₁ w tomografii EPR oraz układowi do realizacji tego sposobu uzyskano następujące efekty techniczno-użytkowe: przedstawiony sposób eliminuje dotychczas stosowane techniki impulsowe, ograniczone czasem martwym

PL 224 915 B1 układu nadawczo-odbiorczego, który utrudnia lub nie pozwala na wykonywanie obrazowania w obecności silnych gradientów oraz rodników charakteryzujących się szybkimi czasami relaksacji. Sposób ten pozwala jednoznacznie wyznaczyć parametry metabolizmu w badanym obiekcie biologicznym, w oparciu o fakt, że czas relaksacji Tt zależy od stężenia tlenu w otoczeniu rodnika.

Wynalazek w przykładowym wykonaniu został przedstawiony na rysunku, którym fig. 1 przedstawia wykresy modulacji częstotliwości źródła oraz odpowiadających im zmian wektora magnetyzacji dla przypadku gdy okres powtórzeń modulacji jest porównywalny z czasem relaksacji T_t, fig. 2 - powyższy przypadek gdy okres powtórzeń modulacji jest pięć razy dłuższy od czasu relaksacji Tnatomiast fig. 3 - układ do realizacji w postaci blokowej.

Badaną próbkę umieszcza się w polu magnetycznym, w skład którego wchodzi: stałe zewnętr zne pole magnetyczne, liniowo bądź nieliniowo zmienne pole gradientowe, oraz skanujące pole magnetyczne o kształcie krokowym, sinusoidalnym, trójkątnym lub innym. W polu magnetycznym generuje się szybką modulację częstotliwości źródła o zadanym czasie repetycji uwarunkowanym warunkiem rezonansu. Dla odpowiednio dobranej szybkości modulacji częstotliwości źródła obserwowane są tzw. szybkie przejścia adiabatyczne, które dokonują inwersji wektora magnetyzacji w warunkach rezonansu. W przypadku periodycznego przechodzenia przez warunek rezonansu w ciągu kilku pierwszych przejść ustala się równowagowa wielkość wektora magnetyzacji. Na fig. 1 pokazano przebieg modulacji częstotliwości źródła jak i zachowanie wektora magnetyzacji w warunkach ustalonych. Jeżeli o dstęp czasu pomiędzy przejściami jest rzędu czasu relaksacji T₁, wówczas magnetyzacja przyjmuje wartość M₁. Jeżeli zaś powyższy odstęp czasu jest rzędu 5T₁ magnetyzacja przyjmuje wartość M_o co pokazano na fig. 2. Można wówczas z zależności:

(1)

T_ e^Ti

T_ b+ e^ri wyznaczyć elektronowy czas T₁.

Próbkę umieszcza się w pierwszym rezonatorze, który znajduje się w obszarze stałego zewnętrznego pola magnetycznego B_o, oraz określonej orientacji gradientu pola magnetycznego. Po uruchomieniu generatora DDS wytwarzającego modulację częstotliwości źródła możliwa staje się detekcja sygnału EPR pochodzącego od spinów elektronowych. Detekcja realizowana jest za pomocą drugiego rezonatora, którego oś skierowana jest wzdłuż kierunku pola magnetycznego B₀. Rejestracja sygnału odbywa się na niskiej częstotliwości, której okres uzależniony jest od odstępu czasu pomiędzy przejściami fig. 1,2. Sygnał po wzmocnieniu jest rozdzielony na składową zgodną w fazie z polem B₁ i składową przesuniętą o 90°. Pierwiastek z sumy kwadratów tych składowych jest miarą M₁ dla przejścia pokazanego na fig. 1 i M_o dla przejścia pokazanego na fig. 2. Zmiana pola B₀ realizowana za pomocą cewek skanujących oraz odpowiednich gradientów w kierunku osi X, Y oraz Z daje możliwość zróżnicowania przestrzennego rozkładu czasu relaksacji T₁.

Po znalezieniu w znany sposób sygnału elektronowego rezonansu paramagnetycznego w obecności gradientu następuje pomiar wektorów magnetyzacji M1 i Mo, a na ich podstawie wyznacza się wartość czasu relaksacji dla każdego punktu zarejestrowanych widm, w której zarejestrowano sygnał EPR. Po czym wykonując w znany sposób konwolucję tak otrzymanych danych czasów relaksacji I₁ z kształtem korzystnie typu Lorentza lub/i Gaussa, uzyskuje się projekcje czasów relaksacji T₁. W następnym etapie procedura jest powtarzana dla innej orientacji gradientu pola magnetycznego, aż do zakończenia pomiarów. Z otrzymanych projekcji czasu T1, w znany sposób rekonstruuje się obraz jego rozkładu, co bezpośrednio przekłada się na informację o stężeniu tlenu w badanym obiekcie.

W układzie do realizacji sposobu według wynalazku, generator kształtu fali 1 przyłączony jest do wejścia modulatora 3, którego wyjście połączone jest z nadajnikiem 4, a wejście z generatorem 2, nadajnika 4, którego wejście jest połączone dodatkowo z modulatorem 3 a wyjście z pierwszym rezonatorem 8 oraz pierwszym dzielnikiem mocy 17, z kolei jego wejście przyłączone jest do komputera 16. Natomiast generator 2 przyłączony jest do modulatora 3, z kolei jego wejście przyłączone jest do mikrokontrolera 20, którego wejście przyłączone jest do komputera 16. Wyjście drugiego rezonatora 9 przyłączone jest do wzmacniacza 10, do którego wyjścia przyłączony jest drugi dzielnik mocy 11, natomiast jego wyjścia przyłączone są do pierwszego detektora 12, którego wejście połączone jest z przesuwnikiem fazy 19, którego z kolei wejście połączone jest z pierwszym dzielnikiem mocy 17, natomiast wyjście poprzez pierwszy filtr 21 połączone jest z pierwszym konwerterem A/C 14, i drugiego detektora 17, którego wejście przyłączone jest do pierwszego dzielnika mocy 17 a wyjście poprzez

PL 224 915 B1 drugi filtr 22 z drugim konwerterem A/C 15. Wyjścia obu konwerterów są przyłączone do komputera 16, z kolei jedno z wyjść komputera przyłączone jest do zasilaczy 18, które przyłączone są do cewek stałego pola magnetycznego 5, cewek gradientowych 6 oraz cewek skanujących 2 (fig. 3).

Po umieszczeniu próbki w rezonatorze 8, znajdującym się pomiędzy nabiegunnikami elektromagnesu 5, uruchamia się generator kształtu fali 1, który za pomocą modulatora 3 określa czas modulacji częstotliwości źródła pochodzącej z generatora 2, następnie modulowany sygnał RF wzmacnia się w nadajniku 4 bramkowanym generatorem kształtu fali 1 oraz dostarcza do pierwszego rezonatora 8, który jest w rezonansie elektrycznym dla wielkiej częstotliwości. Drugi rezonator 9 będący w rezonansie elektrycznym dla niskiej częstotliwości modulującej wielką częstotliwość, oraz położony ortogonalnie w stosunku do pierwszego. Rejestrowany sygnał jest następnie wzmacniany we wzmacniaczu 10, rozdzielany w drugim dzielniku mocy 11 oraz detektowany w dwóch detektorach 12 i 13, następnie zapisywany na komputerze 16, po uprzednio przefiltrowaniu i przekonwertowaniu na sygnał cyfrowy w konwerterach A/C 14 i 15. Na tym etapie dokonuje się znanych operacji przygotowawczych w celu znalezienia warunków rezonansu za pomocą standardowego miernika fali stojącej SWR (standing wave ratio). Następnie, za pomocą cewek gradientowych 6, załącza się gradient pola magnetycznego, którego orientacja determinuje czas, w którym nastąpi rejestracja sygnału EPR od początku przemiatania. Po dokonaniu pomiarów dla określonego, stałego pola B_o za pomocą cewek skanujących następuje jego krokowa zmiana. Komputer 16, oprócz detekcji sygnału, steruje również przebiegiem eksperymentu, w szczególności: generatorem kształtu fali 1, mikrokontrolerem 20, zasilaczami dla cewek stałego pola magnetycznego 5, cewek gradientowych 6 jak i skanujących 7.

a na ich podstawie wyznacza się wartość czasu relaksacji dla każdego punktu zarejestrowanych widm, w której zarejestrowano sygnał EPR.

Obliczenie wartości wektorów magnetyzacji M₁ i M_o dla wszystkich zmian krokowych pola magnetycznego pozwala na wyznaczenie korzystając ze wzoru (1) projekcji czasu relaksacji T₁ badanej próbki, Czas pomiaru jednej projekcji czasu T₁ dla określonej orientacji gradientu pola magnetycznego dla rodnika o czasie relaksacji rzędu 10 ps jest w granicach 200 ps. Do zrekonstruowania obrazu 2D stężenia tlenu wykonuje się nie mniej niż 18 projekcji, zarejestrowanych przy stałej wartości gradientu, jednakże różnej jego orientacji. Całkowity czas pomiaru wszystkich projekcji przy specjalistycznych cewkach gradientowych jest rzędu 0,1 s. Dla uzyskania pełnego obrazu 3D, czas ten mieści się w granicach 2 s. W przypadku użycia do obrazowania stężenia tlenu rodnika o czasie relaksacji o rząd wielkości mniejszym, całkowity czas pomiaru skróci się również o rząd wielkości. Wynik ten wskazuje, że opisana technika jest najszybszą znaną metodą obrazowania EPR, przy czym należy nadmienić, że istotna część czasu pomiaru poświęcona jest na reorientację gradientu pola, a nie na sam pomiar. Stosując mniejsze gradienty, bądź wolno rotujące w zadany sposób, czas ten może ulec znacznemu skróceniu przyśpieszając pomiar. Dzięki tak krótkim czasom pomiaru możliwe staje się połączenie poszczególnych obrazów w ciąg klatek przedstawiających w czasie rzeczywistym zmiany stężenia tlenu w wybranej tkance, co niebagatelnie rozszerzy naszą wiedzę o procesach zachodzących, chociażby w trakcie terapii radiacyjnej w onkologii. Zdolność rozdzielcza uzyskiwanych obrazów zależy od przyłożonego gradientu, oraz punktów pomiarowych tworzących poszczególne projekcje. Stosując specjalne techniki filtracji rozdzielczość otrzymywanych obrazów może być rzędu 0,5 mm, co wysta rcza do precyzyjnych pomiarów.

Claims

1 + eU gdzie T - jest odstępem czasu pomiędzy modulacjami, M-ι - magnetyzacją próbki zmierzoną w przypadku stosowania powtórzeń modulacji z czasem T, M_o - wartością magnetyzacji w równowadze, po czym wykonując w znany sposób konwolucję tak otrzymanych danych czasów relaksacji T ₁z kształtem korzystnie typu Lorentza lub/i Gaussa, uzyskuje się projekcje czasów relaksacji T które następnie w znany sposób mogą być użyte do zrekonstruowania obrazu jednowymiarowego, dwuwymiarowego lub trójwymiarowego.

1 — e^ri T_

1. Sposób uzyskiwania obrazów elektronowych czasów relaksacji T₁ w tomografii EPR, polegającej na pomiarze rozkładu czasów relaksacji „spin-siatka” spinów elektronowych podczas oddziaływania na próbkę wieloskładnikowym polem magnetycznym, zawierającym stałe zewnętrzne pole m agnetyczne, pole gradientowe oraz pole skanujące, znamienny tym, że celem uzyskania projekcji czasów relaksacji T₁ ustala się w pierwszym rezonatorze 8 zadaną modulację, czas jej realizacji i repetycji, natomiast w drugim rezonatorze 9 amplitudę sygnałów EPR proporcjonalną do magnetyzacji próbki mierzonej w warunkach szybkich przejść adiabatycznych, w obecności gradientu pola magnetycznego, w następujących warunkach przemiatania:

d) gdy modulację realizuje się poprzez zmianę częstotliwości generatora;

e) gdy modulację realizuje się poprzez zmianę pola magnetycznego;

PL 224 915 B1

M₁ = M_n

f) gdy modulację realizuje się poprzez dowolną kombinację zmian częstotliwości generatora i pola magnetycznego, z wielkości magnetyzacji wyznaczonej dla różnych czasów repetycji modulacji wyznacza się wartość czasu relaksacji dla każdego punktu zarejestrowanych widm wg następującego wzoru:

T_

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wieloskładnikowe pole magnetyczne ustala się poprzez stałe pole magnetyczne cewki 5, ustala się pole gradientowe poprzez cewki 6, dalej ustala się pole skanujące poprzez cewki 7.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się poprzez powtórzenia modulacji o dowolnym kształcie zmian równym w przybliżeniu czasowi relaksacji T1 a następnie przy odpowiednio większym.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się poprzez dowolną kombinacji okresów powtórzeń modulacji o dowolnym kształcie zmian.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się poprzez powtórzenia modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian równym w przybliżeniu czasowi relaksacji T₁, a następnie przy odpowiednio większym, przy stałej częstotliwości źródła.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się poprzez dowolną kombinację okresów powtórzeń modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian przy stałej częstotliwości źródła.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się poprzez powtórzenia modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian równym w przybliżeniu czasowi relaksacji T1, a następnie przy odpowiednio większym, przy narastającej częstotliwości źródła o dowolnym kształcie zmian.

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się poprzez powtórzenia modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian równym w przybliżeniu czasowi relaksacji T1, a następnie przy odpowiednio większym, przy malejącej częstotliwości źródła o dowolnym kształcie zmian.

9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się poprzez powtórzenia modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian równym w przybliżeniu czasowi relaksacji T1, a następnie przy odpowiednio większym, przy dowolnych zmianach częstotliwości źródła.

10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gdy rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się poprzez dowolną kombinację powtórzeń modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian przy narastającej częstotliwości źródła o dowolnym kształcie zmian.

11. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gdy rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się poprzez dowolną kombinację powtórzeń modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian przy malejącej częstotliwości źródła o dowolnym kształcie zmian.

12. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że rejestrowane amplitudy sygnałów EPR w drugim rezonatorze ustala się poprzez dowolną kombinację powtórzeń modulacji pola magnetycznego o dowolnym kształcie zmian przy dowolnych zmianach częstotliwości źródła.

13. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że drugi rezonator ustawiony jest ortogonalnie względem pierwszego oraz równolegle względem orientacji stałego pola magnetycznego.

14. Układ do lokalizacji zmian nowotworowych metodą obrazowania EPRI, zawierający układ nadawczy, dwa rezonatory, cewki pola skanującego, zewnętrznego i gradientowego wraz z zasilaczami, oraz układ detekcyjny i sterujący, znamienny tym, że generator kształtu fali i przyłączony jest

PL 224 915 B1 do wejścia modulatora 3, którego wyjście połączone jest z nadajnikiem 4, a wejście z generatorem 2, nadajnika 4, którego wejście jest połączone dodatkowo z modulatorem 3 a wyjście z pierwszym rezonatorem 8 oraz pierwszym dzielnikiem mocy E7, z kolei jego wejście przyłączone jest do komputera 16, natomiast generator 2 przyłączony jest do modulatora 3, z kolei jego wejście przyłączone jest do mikrokontrolera 20, którego wejście przyłączone jest do komputera 16, wyjście drugiego rezonatora 9 przyłączone jest do wzmacniacza 10, do którego wyjścia przyłączony jest drugi dzielnik mocy 11, natomiast jego wyjścia przyłączone są do pierwszego detektora 12, którego wejście połączone jest z przesuwnikiem fazy 19, którego z kolei wejście połączone jest z pierwszym dzielnikiem mocy 17, natomiast wyjście poprzez pierwszy filtr 21 połączone jest z pierwszym konwerterem A/C 14, i drugiego detektora 16, którego wejście przyłączone jest do pierwszego dzielnika mocy 17 a wyjście poprzez drugi filtr 22 z drugim konwerterem A/C 15, wyjścia obu konwerterów są przyłączone do komputera 16, z kolei jedno z wyjść komputera przyłączone jest do zasilaczy 18, które przyłączone są do cewek stałego pola magnetycznego 5, cewek gradientowych 6_oraz cewek skanujących 7.