FI80796C

FI80796C - Arrangemang foer materialundersoekning.

Info

Publication number: FI80796C
Application number: FI884174A
Authority: FI
Inventors: Raimo Erik Sepponen
Original assignee: Instrumentarium Oy
Priority date: 1988-09-12
Filing date: 1988-09-12
Publication date: 1990-07-10
Also published as: FI884174A0; US5146924A; FI80796B

Description

Il 1 80796 Järjestely materiaalin tutkimiseen. - Arrangemang för materialundersökning.

Keksinnön kohteena on järjestely kohteen, kuten esi-5 merkiksi ihmiskehon, eläimen, puunrungon tai elin tarvikkeen tutkimiseen.

Magneettikuvaus (MRI) on menetelmä, joka käyttää hyväksi ydinmagneettista resonanssi-ilmiötä (NMR) 10 kohteen ydintiheys ja ytimeen liittyvien NMR ominai suuksien tai niihin vaikuttavien fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien paikallisten jakautumien selvittämiseen. Mainittuja NMR ominaisuuksia ovat mm.: pitkittäinen relaksaatio (karakterisoi pitkittäinen 15 relaksaatioaika T1), poikittainen relaksaatio (karak terisoi poikittainen relaksaatioaika T2), relaksaatio pyörivässä koordinaatistossa (karakterisoi relaksaatioaika T1rho), kemiallinen siirtymä, kytkentäkertoimet ytimien välillä. NMR ominaisuuksiin vaikuttavat 20 fysikaaliset ilmiöt mm.: virtaus, diffuusio, paramag- neettiset ainekset, ferromagneettiset ainekset, viskositeetti ja lämpötila.

Magneettisen resonanssin ja magneettikuvauksen mene-25 telmiä ja sovellutuksia on käsitelty lukuisissa viit teissä: Poole CP and Farach HA: Theory of magnetic resonance, John Wiley, New York 1987, Stark DD and Bradley WG: Magnetic resonance imaging C. V. Mosby Comp., St. Louis 1988, Gadian DG: Nuclear magnetic 30 resonance and its applications to living systems,

Oxford Univ. Press, London 1982, Shaw D: Fourier transform NMR spectroscopy, Elsevier, Amsterdam, 1984, Battocletti JH: NMR proton imaging, CRC Crit. Rev. Biomed. Eng. vol. 11, pp. 313 - 356, 1984, Mansfield P 35 and Morris PG: NMR imaging in biomedicine, Adv. in magnetic resonance, Academic Press, New York 1982, 2 80796

Abragam A: The principles of nuclear magnetism, Clarendon press, Oxford 1961, Lasker SE and Milvy P (eds.): Electron spin resonance and nuclear magnetic resonance in biology and medicine and magnetic 5 resonance in biological systems, Annals of New York

Academy of Sciences vol. 222, New York Academy of Sciences, New York 1973, Sepponen RE: Discrimination and characterization of biological tissues with magnetic resonance imaging: A study on methods for T1, 10 T2, T1rho and chemical shift imaging, Acta poly- technica scandinavica EL-56, Helsinki 1986, Fukushima E and Roeder SB: Experimental pulse NMR, Addison Wesley, London 1981, Anderson WA et al: US Pat 3,475,680, Ernst RR: US Pat 3,501,691, Tomlinson BL et 15 al: US Pat 4,034,191, Ernst RR: US Pat 3,873,909,

Ernst RR: US Pat 4,070,611, Bertrand RD et al: US Pat 4,345,207, Young IR: US Pat 4,563,647, Hofer DC et al: US Pat 4,110,681, Savelainen MK: Magnetic resonance imaging at 0.02 T: Design and evaluation of radio 20 frequency coils with wave winding, Acta Polytechnica

Scandinavica Ph 158, Helsinki 1988, Sepponen RE: US ; Pat 4,743,850, Sepponen RE: US Pat 4,654,595,

Savelainen MK: US Pat 4,712,068, Sepponen RE: US Pat 4,587,493, Savelainen MK: 4,644,281 ja Kupiainen J: 25 US Pat 4,668,904.

:: Dynaamista ydinpolarisaatiota on käsitelty mm. seuraa- vissa viitteissä: Lepley AR and Closs GL: Chemically induced magnetic polarization, Wiley, New York 1973, 30 Potenza J: Measurement and Applications of dynamic ;·' nuclear polarization, Adv. Mol. Relaxation Processes vol. 4, Elsevier, Amsterdam 1972, pp. 229 - 354, ··;' Ettinger KV: US Pat 4,719,425.

35 DNP on magneettinen kaksoisresonanssimenetelmä, joka siten edellyttää kahta erillistä spinpopulaatiota.

li 3 80796 Tällaisia spinpopulaatioita ovat esimerkiksi elektronien ja protonien spinit. Kaksoisresonanssimenetel-mässä toisen spinpopulaation jakautumaa eri energiatasoille muutetaan ja toista spinpopulaatiota havain-5 noidaan. Tiettyjen ehtojen täyttyessä tarkkailtavan spinpopulaation resonanssisignaali kasvaa (Overhaus-ilmiö). Vahvistuneen signaalin amplitudi voi olla useita satoja kertoja suurempi kuin vahvistamaton signaali. Vahvistuskerroin voi olla positiivinen tai 10 negatiivinen. Vahvistunut signaali on ominaisuuksil taan erittäin herkkä spinympäristön fysikokemiallisil-le ominaisuuksille ja reaktioille, joten sen käyttö materiaalin kemiallisten ominaisuuksien tutkimiseen on ilmeinen.

15

Viitteessä Ettinger KV: US Pat 4,719,425 on sovellutuksina esitetty paramagneettisten ainesosien pitoisuuksien kartoitus ja aivojen hermosolujen aktiviteetin kartoitus. Viitteissä Lurie DJ, Bussel DM, Bell 20 LH, Mallard JR: Proton Electron Douple Resonance

Imaging: A new method for imaging free radicals, Proc.

S.M.R.M. Fifth Annual Meeting, 1987, New York, p. 24 ja Lurie DJ, Bussel DM, Bell LH, Mallard JR: Proton-Electron Douple Magnetic Resonance Imaging of free 25 radical solutions, J. Magn. Reson., vol. 76, 1988, pp. 366 - 370 on esitetty vapaiden radikaaliryhmien, nitroksidi radikaalien ja hapetusasteen kartoitukset mahdollisina sovellutuksina.

30 Ongelmana tunnetussa tekniikassa on ESR-taajuisen sähkömagneettisen värähtelyn absorboituminen tutkittavaan kohteeseen. Tämä seikka johtaa kahteen merkittävään haittaan: 1. ESR-taajuudella tapahtuva saturaatio tapahtuu vain niissä kohteen osissa, jotka 35 ovat lähellä säteilijää (esimerkiksi 1.12 GHz:n tunkeutumissyvyys lihaskudokseen on alle 3 cm).

4 80796 2. Koska ESR viivan leveys on suhteellisen suuri, joudutaan saturaatiossa käyttämään suuria tehoja, jotka kohteeseen absorboituessaan saattavat johtaa kohteen vahingoittumiseen (lämpeneminen).

5 Sähkömagneettisen säteilyn ja biologisen kudoksen vuorovaikutusta on käsitelty mm. seuraavissa viitteissä: Röschmann P: Radiofrequency penetration and absorption in the human body: Limitations to high 10 field whole body nuclear magnetic resonance imaging,

Med. Phys. 14(6), pp. 922 - 931, 1987, Tenforde TS and Budinger TF: Biological effects and physical safety aspects of NMR imaging and in vivo spectroscopy, in Thomas SR and Dixon RL (eds.) NMR in medicine: The 15 instrumentation and clinical applications, Medical

Physics Monograph No. 14, American Institute of Physics, New York 1986.

Tunnettua on viitteen Sepponen: US 4 543 959 20 mukaisesti yhdistää NMR ja ultraäänikuvausmenetelmä.

Viitteen mukaisessa järjestelyssä varsinainen kuvaus suoritetaan ultraäänellä, joka pystyy reaaliaikaiseen kuvaukseen ja NMR tutkimus suoritetaan halutulta kohdealueelta. Kohdealueen paikallistamisessa 25 käytetään magneettikuvauksessa tunnettuja menetelmiä kuten, selektiivinen viritys magneettikenttägradient-tien yhteydessä sekä nk. Fourier-menetelmiä tiheys-jakautuman selvittämiseksi gradienttikentän suunnassa. Menetelmän teknisen toteutuksen vaikeutena on NMR 30 menetelmän vaatiman suhteellisen voimakkaan magneet tikentän toteuttaminen siten, että ultraäänitutkimus on helppo suorittaa.

Patenttivaatimusten mukaisen keksinnön avulla välte-35 tään tunnetun tekniikan haitat ja voidaan toteuttaa tutkimuslaitteisto, joka yhdistää ultraäänen ja DNP:n 5 80796 sekä NMR:n edut.

Keksinnön tavoitteet saavutetaan patenttivaatimuksessa 1 ja alivaatimuksissa tarkemmin esitetyllä tavalla.

5

Keksintöä selostetaan tarkemmin viitaten oheisiin piirustuksiin joista:

Kuvio 1 esittää tutkimuslaitteiston pääkomponent- 10 teja, kuvio 2 esittää yksityiskohtaisemmin tutkimusanturin rakennetta, 15 kuvio 3 esittää magneettikenttägradienttikelojen rakennetta, kuvio 4 esittää NMR ja ESR kelan kytkeytymistä sovi- tuspiiriin, esivahvistimeen sekä virityslähet- 20 timiin, kuvio 5 esittää sovituspiirin kytkentäkaaviota, kuvio 6 esittää keksinnön soveltamista kohde-elimen 25 ominaisuuksien tutkimiseen, kuvio 7 esittää anturin suunnan ja polarisoivan magneettikentän suunnan kytkentää, 30 kuvio 8 esittää toiminnan sekvenssikaaviota.

Kuviossa 1 on esitetty polarisoivan magneettikentän Bo synnyttämiseen tarvittava magneetti M ja siihen liitetty magneetin virtalähde MC, M voi olla resistiivi-35 nen, kesto- tai suprajohdemagneetti, geometrialtaan M

voi olla Helmholz, solenoidi, pallosymmetrinen jne, 6 80796 potilas P on potilasvuoteella tai -tuella PC, tutkimuslaitteen anturilla T paikallistetaan ja tutkitaan elimen O kiinnostavaa aluetta R, T on liitetty tutkimuslaitteen keskusyksikköön C.

5

Kuviossa 2 on esitetty yksityiskohtaisemmin anturin T rakenne, johon kuuluu ohjauspaneeli CP, käsikahva TH, ultraäänianturi UST, gradienttikelastot GCX ja GCY sekä välineet ESR ja NMR toimintoihin liittyvien mag-10 neettikenttien emittoimiseen ja vastaanottoon tarvittavat antennilaitteet A.

Kuviossa 3 on yksityiskohtaisemmin esitetty gradient-tikelastojen GCZ ja GCY eräs käämintätapa ja syntyvän 15 gradienttikentän muoto etäisyyden D funktiona, missä D

on etäisyys kelastojen magneettisesta keskipisteestä.

Kuviossa 4 on esitetty yksityiskohtaisemmin ESR ja NMR tapahtumaan kuuluvien antennilaitteiden A kytkentä 20 sovitinpiirin TC kautta esivahvistimeen PA, NMR viri- tyslähettimeen NMRE ja ESR virityslähettimeen ESRE joita ohjaa keskusyksikön keskusprosessori CPU, joka myös kerää signaalidatan tiedonkeruuyksikön DCC kautta.

25

Kuvio 5 esittää yksityiskohtaisemmin antennilait-teisiin A liittyvän sovitinpiirin TC kytkentää, missä rinnakkaisresonanssipiirit ST1 ja ST2 sekä diodipari DP2 suojaavat esivahvistinta PA NMR ja ESR viritys-30 tapahtumien aikana, diodipari DP1 kytkee NMR taajuu delle viritetyn piirin ST1 rinnakkaisresonanssipii-riksi suurilla NMR signaalltasoilla (viritys) ja pienillä signaalitasoilla antennin A induktanssi sekä ST1:n kapasitanssin ja C1:n kapasitanssin sarjaan-35 kytkentä muodostaa rinnakkaisresonanssipiirin A:n kanssa, joka on vireessä NMR signaalitaajuudelle, li 7 80796 rinnakkaisresonanssipiiri ST3 on vireessä ESR taajuudelle ja siten estää NMRE:n kuormittamista ESRE:tä elektronispinsysteemin saturoinnnin yhteydessä, dio-diparit DP3 ja DP4 estävät kuormituksen NMR signaalin 5 detektoinnin yhteydessä, rinnakkaisresonanssipiiri ST4 estää ESRE:n kuormittamasta ydinsysteemin virityksen aikana, C2 virittää A:n resonanssiin NMR virityksen yhteydessä ja C3 elektronispinsaturoinnin yhteydessä.

10 Kuviossa 6 on esitetty elimen O tutkimista nk.

sensitive line-menetelmän avulla, tutkimuksen herkkä alue on osoitettu katkoviivan SL avulla, tutkimustuloksena voidaan saada esimerkiksi signaali-intensiteetti S viivaa SL pitkin etäisyyden D funktiona.

15

Kuviossa 7 on esitetty eräs keino suunnata polarisoiva magneettikenttä Bo anturin suunnan mukaisesti, anturiin T on sijoitettu kolme ortogonaalista Hall sensoria HS, jotka ohjaavat ortogonaalisiin 20 magneettikeloihin Mx, My, Mz kytkettyjä virtalähteitä MCx, MCy, MCz siten, että Bo on aina halutun suuntainen anturiin T nähden.

Kuviossa 8 on esitetty eräs toimintasekvenssi: US 25 kuvaa ultraäänikuvauksen ajankohtaa, ESR akseli kuvaa elektronispin saturaation ajankohtaa, NMR akseli NMR virityksen ajankohtaa, G akselilla on gradienttitoi-mintojen ajankohta ja D on NMR signaalin keruun ajankohta.

30

Laitteella tapahtuva tutkimus, joka läheisesti muistuttaa viitteessä Sepponen: US Pat 4,543,959 kuvattua tutkimusta, suoritetaan seuraavasti: Tutkija, lääkäri tms. hakee tutkittavan kehon osan (elin O) ultraääni-35 kuvan avulla, joka näkyy keskusyksikön C näytöllä.

Elimessä 0 on kiinnostava alue R, jonka karakteri- 8 80796 sointiin hän haluaa NMR informaatiota (esim. relak-saatioajat T1 ja T2), potilaaseen on ruiskutettu tai ruiskutetaan ainesosia, jotka relaksoivat elektronis-pinsysteemiä ja jotka leviävät kudoksiin. Mainittuja 5 ainesosia on käsitelty viitteessä Ettinger: US Pat 4,719,425. Elektronispinsysteemiä saturoidaan ESRE:n tuottamalla radiotaajuusteholla siten, että DNP ilmiö tapahtuu. Elektronispinien saturointi lopetetaan ja NMR virityksen ja gradienttioperaatioiden avulla 10 rajataan alue, esim. viivamainen alue, jolta saatava NMR signaali vastaanotetaan A:n avulla ja käsitellään CPU:n avulla haluttujen tietojen saamiseksi.

Tekniseltä toteutukseltaan laitteiston ultraääni-15 kuvausyksikkö voi olla kaupallisesti saatavissa oleva rivianturilla varustettu laitteisto, joita valmistaa _ mm. Siemens, Länsi-Saksa; Aloka, Japani; Hitachi,

Japani, Toshiba, Japani. Laitteiston keskusyksikkönä voi olla esimerkiksi IBM AT pienoistietokone, valmis-20 taja IBM, USA. ESR ja NMR komponentit voidaan toteut taa tunnetun tekniikan tason mukaisesti käyttäen sig-• naalilähteitä, joita valmistaa Hewlett Packard, USA ja teho vahvistimia, joita valmistaa ENI, USA. Gradient-tivirtalähteet voivat olla esim. Copley Controls Corp. 25 (USA) valmistamia ja magneettivirtalähteet esim.

Brucker GMBH:n (Länsi-Saksa) valmistamia.

Keksinnön avulla vältetään kohteen lämpeneminen ESR säteilytyksen aikana, koska kohdealue on rajoitettu, 30 NMR signaalista ei välttämättä muodosteta kuvaa, jolloin tarvittava signaalikohinasuhde ja niinollen polarisoivan magneettikentän voimakkuus pieni (alle 0.02 T) ja ESR säteilytys on käytössä vain juuri ennen NMR signaalin rekisteröintiä.Lisäksi polarisoivan 35 magneettikentän voimakkuutta voidaan muuttaa ESR ja NMR operaatioiden välillä kuten viitteessä Sepponen;

Claims

9 80796 FI appi 883153 on kuvattu. Keksintöä voidaan soveltaa mm. veren virtauksen mittaamiseen, sydänlihaksen verekkyyden määrittämiseen 5 sydämen toimintasyklin eri vaiheissa, kudoskarakte- risaatioon, maksan toiminnan tutkimiseen, elintarvikkeiden tutkimiseen, koe-eläinten tutkimiseen sekä esimerkiksi lääkeaineiden imeytymisen, vaikutusten sekä metabolian tutkimiseen. Keksinnön toteutusvaihtoehdot ja sovellutukset eivät rajoitu edellä esitettyyn, vaan useita muitakin sovellutustapoja ja kohteita on ajateltavissa. 10 80796

1. Laitteisto kohteen kuten ihmiskehon tutkimiseen ultraäänen ja NMR menetelmien avulla siten, että 5 molemmat tutkimusmenetelmät on järjestetty kohdistu maan olennaisesti samanaikaisesti ja samalle kohdealueelle, tunnettu siitä, että laitteistossa on välineet mainitun kohdealueen elektronispin systeemin magnetisaation säteilyttämiseksi dynaamisen ydinpo- 10 larisaation aikaansaamiseksi ja NMR signaalin vahvis tamiseksi nk. Overhaus-ilmiön kautta.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että ultraäänianturi ja DNP sekä NMR 15 toimintoihin tarkoitetut antennivälineet ovat yhdis tettynä samaan yksikköön.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että laitteistoon kuuluvat välineet 20 anturin suunnan ja polarisoivan magneettikentän suun nan erojen havaitsemiseksi ja magneettikentän suunnan säätämiseksi siten, että polarisoivan magneettikentän ja NMR signaalikelan magneettisen akselin sekä elektronispin systeemin säteilytykseen liittyvän antenni- 25 järjestelyn kohdealueelle synnyttämän sähkömagneetti sen säteilyn magneettinen komponentti ovat mahdollisimman ortogonaaliset polarisoivan magneettikentän suuntaan nähden.

4. Patenttivaatimusten 2 tai 3 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että NMR signaalien paikallistamiseen käytettävät magneettikenttägradientteja synnyttävät kelavälineet on sijoitettu samaan yksikköön ultraäänianturin ja DNP ja NMR toimintoihin tarkoitet- 35 tujen antennivälineiden kanssa. li