(57)【要約】サンプルチャンバーを備えるエンコードゲイルと、信号キャリアの供給と、好ましくは分極化されたキセノンと、並びに信号処理の空間的で一時的な分離及び信号検出段階を可能にする検出器を有する遠隔ＮＭＲ／ＭＲＩ分光のための装置及び方法。この分離は、物理的な条件と、エンコード及び検出段階の方法を独立して最適化させる。キャリア分子のエンコードは、高磁界又は低磁界で発生してよく、従来のＮＭＲパルスシークエンスは、エンコード段階と検出段階との間で分割できる。一つの実施態様において、検出器は高磁界のＮＭＲ装置である。別の実施態様において、検出器は超伝導量子干渉デバイスである。さらなる実施態様は、ルビジウムとキセノンのスピン交換の光学検出を使用する。別の実施態様は、非線形のファラデー回転を使用する光学磁力計を使用する。検出器の信号キャリアの濃度は、信号対ノイズ比を多大に改善できる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンコーダと、
前記エンコーダと相互作用するサンプル管と、
磁気的に活性な核を含む種を有するセンサーと、
前記サンプル管からエンコードされたセンサーを受け、前記エンコードされたセンサーからの信号を検出するように形態化された検出器と、を有し、
前記センサーは、サンプル管の環境情報をエンコードするための前記サンプル管に放電されたことを特徴とする遠隔ＮＭＲ検出システム。
【請求項２】
前記センサーは、希ガスを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記希ガスはキセノンの同位体を含むことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記センサーと混合された移動媒体をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記移動媒体は、複数のガスを含むことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項６】
前記移動媒体は、複数の液体を含むことを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項７】
前記移動媒体は、水と、食塩水と、等張バッファーと、脂肪と、脂質乳剤と、有機溶剤と、及びフルオロカーボンの血液代替物とを含む液体の群から選択された水であることを特徴とする請求項４に記載のシステム。
【請求項８】
前記検出器による検出より以前に前記センサーを濃淡するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記濃淡するための手段は、ポンプを含むことを特徴とする請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記サンプル分析管から前記検出器まで前記センサーを循環するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記センサーを循環するための手段は、前記サンプル管及び前記検出器と相互結合するポンプ及び管類を含むことを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記サンプル管から前記検出器まで過分極化されたセンサーの循環を制御するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記過分極化されたセンサーの連続的な供給を発生するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記エンコーダは、高磁界ＮＭＲエンコードコイル及び勾配セットを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記エンコーダは、低磁界ＮＭＲエンコードコイル及び勾配セットを含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記検出器は、超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記検出器は、非線形のファラデー回転を使用する光学磁力計を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記検出器は、高磁界ＮＭＲ分光計を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記検出器は、非水平の高磁界ＮＭＲ分光計を含むことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
エンコーダと、
前記エンコーダと相互作用するサンプル管と、
過分極化されたセンサーと、
前記サンプル管からエンコードされて過分極化されたセンサーを受け、前記エンコードされて過分極化されたセンサーからの信号を検出するように形態化された検出器と、を有し、
前記過分極化されたセンサーは、サンプル管の環境情報をエンコードするための前記サンプル管に放電されたことを特徴とする遠隔ＮＭＲ検出システム。
【請求項２１】
前記過分極化されたセンサーは、希ガスを含むことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記希ガスはキセノンの同位体を含むことを特徴とする請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記過分極化されたセンサーと混合された移動媒体をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項２４】
前記移動媒体は、複数のガスを含むことを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記移動媒体は、複数の液体を含むことを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
【請求項２６】
前記移動媒体は、水と、食塩水と、等張バッファーと、脂肪と、脂質乳剤と、有機溶剤と、及びフルオロカーボンの血液代替物とを含む液体の群から選択された水であることを特徴とする請求項２３に記載のシステム。
【請求項２７】
前記検出器による検出より以前に前記過分極化されたセンサーを濃淡するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項２８】
前記濃淡するための手段は、ポンプを含むことを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記サンプル分析管から前記検出器まで前記過分極化されたセンサーを循環するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項３０】
前記過分極化されたセンサーを循環するための手段は、前記サンプル管及び前記検出器と相互結合するポンプ及び管類を含むことを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項３１】
前記サンプル管から前記検出器まで過分極化されたセンサーの循環を制御するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項２９に記載のシステム。
【請求項３２】
前記過分極化されたセンサーの連続的な供給を発生するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項３３】
前記エンコーダは、高磁界ＮＭＲエンコードコイル及び勾配セットを含むことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項３４】
前記エンコーダは、低磁界ＮＭＲエンコードコイル及び勾配セットを含むことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項３５】
前記エンコーダは、高磁界ＭＲＩエンコードコイル及び勾配セットを含むことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項３６】
前記検出器は、
気化したアルカリ金属の量を取り囲む検出チャンバーと、
前記アルカリ金属の分極化での変化の光学検出のための手段と、を含むことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項３７】
前記検出器は、超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を含むことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項３８】
前記検出器は、非線形のファラデー回転を使用する光学磁力計を含むことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項３９】
前記検出器は、高磁界ＮＭＲ分光計を含むことを特徴とする請求項２０に記載のシステム。
【請求項４０】
エンコーダと、
前記エンコーダと相互作用するサンプル管と、
磁気的に活性な核を含む種を有するセンサーと、
前記サンプル管に機能的に接続された前記センサーの制御された供給を生成するための手段と、
前記エンコードされたセンサーから磁気共鳴スペクトルを検出するための手段と、
前記サンプル管から前記磁気共鳴スペクトルを検出するための手段にエンコードされたセンサーを移動するための手段と、を含み、
前記センサーは、サンプル管の環境情報をエンコードするための前記サンプル管に放電されたことを特徴とする遠隔ＮＭＲ検出システム。
【請求項４１】
前記センサーの供給を生成するための手段は、レーザーを分極化する光学ポンプを含むことを特徴とする請求項４０に記載のシステム。
【請求項４２】
前記エンコーダは、高磁界ＮＭＲエンコード分光計を含むことを特徴とする請求項４０に記載のシステム。
【請求項４３】
前記エンコーダは、低磁界エンコードコイル及び勾配セットを含むことを特徴とする請求項４０に記載のシステム。
【請求項４４】
前記検出手段は、
気化したアルカリ金属の量を取り囲む検出チャンバーと、
前記アルカリ金属の分極化での変化の光学検出器と、を含むことを特徴とする請求項４０に記載のシステム。
【請求項４５】
前記検出手段は、超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）を含むことを特徴とする請求項４０に記載のシステム。
【請求項４６】
前記検出手段は、非線形のファラデー回転を使用する光学磁力計を含むことを特徴とする請求項４０に記載のシステム。
【請求項４７】
前記検出手段は、高磁界ＮＭＲ分光計を含むことを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４８】
前記エンコードされたセンサーを移動するための手段は、前記サンプル管及び前記検出器と相互作用するポンプ及び管類を含むことを特徴とする請求項４０に記載の装置。
【請求項４９】
前記サンプル管から前記検出器まで前記エンコードされたセンサーの移動を制御するための手段をさらに含むことを特徴とする請求項４０に記載のシステム。
【請求項５０】
サンプルを信号キャリアセンサーの供給に暴露することと、
前記サンプルに暴露された信号キャリアセンサーをエンコードすることと、
前記エンコードされた信号センサーから信号を検出することと、
前記検出された信号から磁気共鳴データを獲得することと、を含むことを特徴とする遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項５１】
検出以前に前記エンコードされた信号キャリアセンサーを濃淡することをさらに含むことを特徴とする請求項５０に記載の遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項５２】
前記濃淡段階は、凝縮によって前記エンコードされた信号キャリアセンサーを濃淡することを含むことを特徴とする請求項５１に記載の遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項５３】
前記検出された信号を平均化することをさらに含むことを特徴とする請求項５０に記載の遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項５４】
前記暴露段階は前記信号キャリアセンサーの制御された流れに対する前記サンプルの暴露を含み、前記信号キャリアセンサーは過分極化された希ガスを含むことを特徴とする請求項５０に記載の遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項５５】
前記暴露段階は前記信号キャリアセンサーの連続する流れに対する前記サンプルの暴露を含み、前記信号キャリアセンサーは過分極化された希ガスであることを特徴とする請求項５０に記載の遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項５６】
前記過分極化された希ガスはキセノンを含むことを特徴とする請求項５４に記載の遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項５７】
前記サンプルは、過分極化された希ガスの混合に暴露されたことを特徴とする請求項５４に記載の遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項５８】
前記過分極化された希ガスの混合は、キセノン及びヘリウムの混合を含むことを特徴とする請求項５７に記載の遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項５９】
前記過分極化された希ガスの混合は、キセノンと、ヘリウムと、不活性ガスとの混合を含むことを特徴とする請求項５８に記載の遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項６０】
前記不活性ガスは窒素ガスを含むことを特徴とする請求項５９に記載の遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項６１】
前記サンプルに暴露する以前に液体と前記過分極化された希ガスとを混合することをさらに含むことを特徴とする請求項５４に記載の遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項６２】
前記移動媒体は、水と、食塩水と、等張バッファーと、脂肪と、脂質乳剤と、有機溶剤と、及びフルオロカーボンの血液代替物とを含む液体の群から選択された水であることを特徴とする請求項６１に記載の遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項６３】
前記検出段階はＮＭＲコイル検出を含むことを特徴とする請求項５０に記載の遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項６４】
前記検出段階は、アルカリ金属と希ガスのスピン交換による光学検出を含むことを特徴とする請求項５０に記載の遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項６５】
前記検出段階は、非線形のファラデー回転検出を使用する光学磁力計を含むことを特徴とする請求項５０に記載の遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項６６】
前記検出段階は、超伝導量子干渉デバイスでの検出を含むことを特徴とする請求項５０に記載の遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項６７】
前記エンコード段階は、
前記サンプルを均質な磁界に位置づけする段階と、
前記サンプルを前記信号キャリアセンサーに暴露する段階と、
前記サンプル及び前記信号キャリアセンサーを複数のＲＦパルスに当てる段階と、
前記ＲＦパルスの信号キャリアセンサーを検出器に移動する段階と、を含むことを特徴とする請求項５０に記載の遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項６８】
前記サンプルを均質な磁界に位置づけする段階と、
前記サンプルを第一持続期間において前記信号キャリアセンサーに暴露する段階と、
前記サンプル及び前記信号キャリアセンサーを第一ＲＦパルスに当てる段階と、
第一期間の間に待つ段階と、
前記サンプル及び前記信号キャリアセンサーを第二ＲＦパルスに当てる段階と、
第一期間の間に待つ段階と、
前記暴露された信号キャリアセンサーを検出器に移動する段階と、を含むことを特徴とする請求項５０に記載の遠隔ＮＭＲ分光を提供するための方法。
【請求項６９】
前記第一ＲＦパルスは９０°パルスを含むことを特徴とする請求項６８に記載の方法。
【請求項７０】
前記第二ＲＦパルスは９０°パルスを含むことを特徴とする請求項６８に記載の方法。
【請求項７１】
前記均質な磁界は、検出で活用された磁界と異なることを特徴とする請求項６８に記載の方法。
【請求項７２】
前記暴露された信号キャリアセンサーを前記検出器の第三ＲＦパルスに暴露することをさらに含むことを特徴とする請求項６８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦的に支持された研究あるいは開発に関する声明
本発明は、米国エネルギー省によって与えられた契約番号ＤＥ−ＡＣ０３７６Ｆ０００９８の下で政府の支援によって成された。米国政府は、ここに本発明の権利を有する。
【０００２】
コンピュータプログラム付録への言及
適用可能でない
本発明は、一般的に核磁気共鳴分光に関し、より詳細には、空間的及び一時的な遠隔の信号検出または光学検出によるＮＭＲ分光のための装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
核磁気共鳴（ＮＭＲ）は、分子構造及び表面の特徴の研究のための幅広い用途の分析ツールとして発展してきた。しかしながら、ＮＭＲは、ＮＭＲの信号が２つのスピン状態間の集団の差に依存するために、他の方法に比べて、比較的感度が低い検出方法である。ＮＭＲ装置の空間的で一時的なスペクトルの解像度を高めるために多くのアプローチがなされてきた。感度を高める１つのアプローチは、ＮＭＲの感度が磁界強度の７／４の出力として高まるので、磁界強度を高めることである。
【０００４】
別のアプローチは、ｒｆレシーバーコイルのサイズ、形状及び構成部分の物質を改善している。検出器コイルの感度は、コイルの直径に対して反比例することが示される。高温の超電導物質及び低温冷却した検出器コイルはまた、ＮＭＲ装置の感度を改善している。
【０００５】
感度における一つの相当の改善は、ＮＭＲ及びＭＲＩ信号が過分極化された（ｈｙｐｅｒｐｏｌａｒｉｚｅｄ）希ガスの使用により増大され得ることが分かった。元素の周期表の０属の要素であるキセノン及び他の希ガスは、原子を取り巻く化学的な環境に対して高感受性であるＮＭＲ特性を表す。１２９Ｘｅの特性及び高感受性の化学的なシフトならびに他の希ガスは、分子の構造、沸石とクラスレートなどの多孔性の固体、膜ならびに他の生物学的及び非生物学的物質の表面特性を探索するために幅広く使用されている。過分極化された希ガスを生成するための方法における最近の改善は、肺及び身体の他の器官の医療画像を含む多数の革新的なＮＭＲ及びＭＲＩの応用を導いている。
【０００６】
過分極化された希ガスを生成するために典型的に使用される技術は、光の光子から“光学ポンピング及びスピン交換”と呼ばれる希ガス分子の核まで角運動量の間接的な移動を含む。光学ポンピングは、希ガスを分極化するためにスピンの分極化を有する価電子を備えたＲｂ、ＫまたはＣｓのような中間のアルカリ金属を使用する。希ガス原子の核スピンに対して直接的に光子の分極化を移動することができないので、中間体が使用される。
【０００７】
従来の設定において、ルビジウムなどのアルカリ金属は気化されて希ガスと混合される。この混合物は、第一の主要な共鳴の波長（つまり、その主要な電子の双極子の変化）において循環的に分極化されたレーザー光で照射される。ルビジウムにおいて、例えば、波長は７９５ｎｍである。アルカリ金属の蒸気は光子を吸収し、価電子を基底状態から励起状態に変化させる。
【０００８】
アルカリ金属の基底状態及び励起状態の両状態の総合の角運動量は１／２である。結果として、循環的に分極化された光の吸収は、−１／２の基底状態のサブレベルだけで発生し、＋１／２のサブレベルでは発生しない。時間とともに、本質的に、１つのサブレベルだけが光子を吸収することができるので、Ｒｂ原子はすべて１つのサブレベルに光学上“送り込まれる”。適度の磁界（１０〜８０ガウス）下において、基底状態と励起状態との間のアルカリ金属原子の循環は、数マイクロ秒で原子の本質的な分極化を生じることができる。したがって、光学ポンピングは、アルカリ金属の２つの可能なスピン状態のうちのほんの１つに選択的に占めることにより、電子スピンの分極化を成す。
【０００９】
希ガスの核スピンに対する電子の方位の交換は、スピンが分極化したアルカリ金属原子と希ガス原子との間の二衝突中で起こる。そのような衝突中、超微細の相互作用による価電子は、同時の核及び電子スピンのフリップを引き起こす希ガスの核に角運動量を移動する。その後、アルカリ金属原子は別の光子を吸収でき、プロセスが繰り返される。この手法において、希ガスの核の分極化は、照射されたアルカリ金属の蒸気の分極化レベルに接近できる。数多の生産計画は、ローターをスピンするマジック角度で使用することができ、または循環するために、あるいは溶液での分子による泡で使用することができる、過分極化された希ガスの一定の流れを提供する。
【００１０】
過分極化された希ガスの原子はまた、ガスに暴露されたサンプル分子での原子の核にスピンの分極化を移動できる。レーザーで分極化された希ガスからプロトンなどの他の核へ増大されたスピンの分極化の移動のための開発されている２つの主要な技術があり、（１）クロス緩和（ｃｒｏｓｓ  ｒｅｌａｘａｔｉｏｎ）（ＳＰＩＮＯＥ）及び（２）クロス分極（ＣＰ）である。
【００１１】
過分極化されたキセノンに接触するか、または近接する原子のＮＭＲ信号は、キセノンと核スピンとの間の双極子のクロス緩和及び分極化の移動により増幅され、核のオーバーハウザー効果の斬新な現われはＳＰＩＮＯＥ（スピンの分極化が引き起こした核のオーバーハウザー効果）と呼ばれる。ＳＰＩＮＯＥはまた、レーザーが分極化されたガスからゼロ磁界（ｚｅｒｏ−ｆｉｅｌｄ）混合のハートマンとハーンの一致（Ｈａｒｔｍａｎ−Ｈａｈｎ  ｍａｔｃｈｉｎｇ）を必要としない表面スピンまで、スピンの分極化の移動を可能にする。希ガスの凝固は必要とされず、結果的に、ＳＰＩＮＯＥは連続的なフロー・モードで、かつ、より広い温度範囲に関して実行することができる。過分極化された希ガスの連続的な流れは、信号のアキュミュレーションを可能にし、したがって、マジック角度のスピン下のＳＰＩＮＯＥと同様に、より少ないスピンまたは長いクロス緩和時間で表面の探索も可能にする。
【００１２】
一方で、クロス分極は、キセノンスピンと移動のターゲットである核との間の静止の磁気双極子相互作用を必要とする。クロス分極で、キセノン及びターゲットの核は、キセノンからターゲットの核まで移動される分極化を可能にする量子変化を成す２つの個別の周波数において同時の電磁界で係止される。
【００１３】
過分極化されたキセノン及び他の希ガスはまた、化学的、生物学的、または物質的に解析されるサンプルと互換性があるガスまたは流体キャリアと組み合わせることができる。
【００１４】
低磁界での従来のＮＭＲ検出コイルの劣った感度は、例えば、レーザーが分極化されたキセノンのスペクトル及び撮像の両者を得るために使用されている、超電導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）の使用でアドレスされる。現在、ＳＱＵＩＤ装置は、磁束の高感度の検出器の一つである。ＡＣまたはｒｆＳＱＵＩＤ及びＤＣＳＱＵＩＤは、開発されている２つの主要なタイプのＳＱＵＩＤ装置である。一般的に、ＳＱＵＩＤ装置は、ジョセフソン接合と呼ばれる１つ以上の結合によって中断された、超伝導リング及び大型エリアのフラックスアンテナから構成される電圧変換器に対するフラックスとして考慮されてよい。磁束は、ジョセフソン接合により通過する電流を調整する。
【００１５】
しかしながら、ＳＱＵＩＤ装置は、検出のために核磁化を調整（エンコード）するのに必要であるパルス磁界がある状態に不安定を現す。結果的に、かかる装置は、この不安定さのために装置の有益性が制限されるかもしれない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
したがって、周囲の磁界からの干渉が無く、従来のＮＭＲ装置の固有の制限の多くを克服し、エンコード条件及び検出条件を最適化できるＮＭＲ／ＭＲＩ分光の装置及び方法の必要がある。本発明は、現在の装置及び方法の問題点を克服するのと同様に、前述の必要性を満たす。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、最適化されたＮＭＲ／ＭＲＩのエンコードコイル形状及び条件と、信号保持センサーの使用によって段階のエンコード及び検出の空間的で一時的な分離による最適化された検出方法及び方法と、核磁気共鳴又は磁気共鳴像のための装置及び方法を導く。
【００１８】
一般的に、本発明は、簡素な分析管又はチャンバーを有するエンコーダと、簡素な分析管に信号キャリアセンサーを放電するために形態化された分極化信号保持原子又は分子の供給と、簡素な分析管からエンコードされた信号センサーを受信するために形態化された検出器とを含む。好ましい信号キャリアは、特に、キセノンである、過分極化された希ガスである。キセノンが好ましいが、長期間の分極化の緩和時間を有する本質的なガス又は液体が使用できる。低磁界でのルビジウムなどのアルカリ金属でのスピン交換によりレーザー分極のキセノンの連続する供給源が好ましい。
【００１９】
一つの好ましい実施態様において、信号キャリアの供給源である、エンコーダ及び検出器チャンバーでのサンプル分析管は、ポンプを含有する連続する循環式システムと機能的に相互接続される。別の実施態様において、循環式システムは、各システム構成部分間の信号キャリア分子の流れを制御する、多数の流れを止めるバルブを含む。別の実施態様において、エンコーダからのエンコードされた信号キャリアは、チューブ又は管に取り囲まれ、一つの位置から別の位置へと物理的に運ぶことができる。
【００２０】
本発明の別の態様によると、信号キャリアは、供給源からエンコーダへ、次いで検出器へとキャリア分子の転送又は移動を支援する液体若しくはガスで混合されて良い。ＭＲＩの設定において、転送液は、好ましくは、サンプル又は人と化学的で物理的に互換性を有する。
【００２１】
エンコード及び検出段階の空間的で一時的な分離は、各段階の条件を調査目的に依存して最適化できることが分かる。一つの実施態様において、エンコードは低磁界で発生でき、検出段階は高磁界ＮＭＲ検出器で導くことができる。別の実施態様において、エンコードは高磁界コイルで発生し、検出は高磁界ＮＭＲ検出器で発生する。高低磁界のコンコードコイル及び検出器コイルが例示するために示されるが、磁界強度の本質的な組み合わせは、本発明の実施態様のエンコードコイル及び検出器コイルで使用できる。
【００２２】
また、別の実施態様において、エンコードは高磁界又は低磁界で発生し、検出は磁束を直接的に測定する、超伝導量子干渉デバイスによって実行される。
【００２３】
別の実施態様において、検出器は、エンコードされた希ガスとガス状でエンコードされた希ガスに暴露されたルビジウムなど初期に非分極化されたアルカリ金属との間のスピン交換によるスピン分極化の構成を探索する、光学検出器である。非線形のファラデー回転での磁力計を使用する光学検出は、本発明の別の実施態様で使用される。
【００２４】
本発明の別の態様によると、典型的に必要とされるパルスシークエンスは、エンコーダと検出器との間で分割できる。好ましいシークエンスは、エンコードコイルでの第一の９０°パルス前のサンプルと関連する信号キャリアのための期間を含む。エンコードコイルでの第二の９０°パルスは、ドウェル時間後に適用される。ＦＩＤを備えた第三の９０°パルスは、エンコードされた信号キャリアが一つの実施態様での検出コイルに変換できる間の移動時間後に検出コイルに適用される。
【００２５】
本発明はまた、一般的に分極化された信号キャリアの供給に対するサンプルの暴露と、ＮＭＲ信号のエンコードと、次いでエンコードされたキャリアを検出器への転送と、エンコードされた信号の検出と、結果となるスペクトルの解析とを含む、遠隔ＮＭＲ／ＭＲＩのための方法を含む。
【００２６】
本発明の別の態様によると、本発明の方法はまた、例えば、物理的な圧縮あるいは熱の凝縮によって、検出分析管又はチャンバーでのエンコードされた信号キャリアの濃淡を含む。エンコードされた信号キャリアの濃淡は、信号対ノイズ比を高め、より高いスピン密度を提供する。
【００２７】
本発明の別の態様によると、検出器の一つの実施態様での磁界コイルのコイル形状は、充満要因を最大化するために形態化される。多大なスピンが検出器コイルによって取り囲まれた容積内に提供されることが好ましい。良好な充満要因は、信号増強の達成において重要である。
【００２８】
一つの実施態様での光学検出器の使用は、希ガスのＭＮＲ／ＭＲＩ信号を効果的に増幅する検出のより高感度な方法を提供し、それによって、より小型のサンプルサイズの検出と小型装置の使用を可能にする。
【００２９】
本発明の目的は、ＮＭＲ信号処理及び検出段階の空間的で一時的な分離を可能にする、装置及び方法を提供することである。
【００３０】
本発明の別の目的は、互いに独立してエンコード及び検出段階の条件を最適化する、装置及び方法を提供することである。
【００３１】
本発明の別の目的は、低磁界と低周波数信号を使用して高感度の勾配の存在での画像化と高磁界強度での信号検出のための装置及び方法を提供する。
【００３２】
本発明の別の方法は、低磁界強度の反磁性体、常磁性と強磁性物質及び移植組織の存在において使用できるＮＭＲ／ＭＲＩ撮像装置を提供することである。
【００３３】
本発明のさらなる別の目的は、光学検出を使用するＮＭＲ又はＭＲＩ像のための高感度装置及び方法を提供することである。
【００３４】
本発明の別の目的は、検出のための超伝導量子干渉デバイスを使用するＮＭＲ又はＭＲＩ像のための遠隔検出装置及び方法を提供することである。
【００３５】
本発明のさらなる別の目的は、少量サンプルから信号を機能的に増幅でき、化学的なシフトを正確に検出できるＮＭＲ分光のための装置及び方法を提供することである。
【００３６】
本発明のさらなる目的は、移動時間、流れ及び長距離にわたった拡散情報の決定と同様に、撮像することである。
【００３７】
本発明のさらなる目的は、貧弱な磁界均質を備えた検出磁石を設けた遠隔ＮＭＲを提供することができる、装置及び方法を提供することである。
【００３８】
本発明のさらなる目的及び利点は、本明細書の下記の部分にもたらされるだろう。詳細な記載は、限定をしない本発明の好ましい実施態様を完全に開示する目的である。
【００３９】
本発明は、例証する目的のみの添付図を参照することによって、より完全に理解されるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
例証する目的で添付図をより明確に参照するに、本発明は図１乃至６に一般的に示される装置で具体化される。配置に関して、及び構成部分の詳細に関して装置が変わるかもしれないし、方法がここに示されるような基本的な概念から逸脱せずに、特定の段階及び流れに関して変わるかもしれないことが認識されるであろう。
【００４１】
本発明による遠隔検出装置は、信号保持センサー（信号キャリア）と、エンコードコイルと、及び遠隔検出器の使用により個別の位置、環境、及び時間でサンプルからのＮＭＲ信号がエンコードされて検出される。
【００４２】
ＮＭＲ又はＭＲＩ手順でのエンコード及び検出段階を分離する数多の利点がある。被験者又はサンプルからのＮＭＲ信号は、検出磁界がエンコード磁界よりも高い場合に増幅でき、充満要素はより好ましいか、又はエンコードされたキャリア分子は検出コイルに集中される。ＮＭＲ信号はまた、従来の高磁界ＮＭＲ又はＭＲＩ検出器よりもさらに高感度である検出装置を使用することによって、質的に増幅されてよい。
【００４３】
エンコード及び検出段階を分離する一つの明らかな利点は、サンプルの状態及びエンコードが、選択される各々において最適状態にする検出状態から独立して操作できる。ｒｆコイルのサイズと形状、サンプルの濃度と容積、充満要因、核分極化、核歳差周波数、共鳴のライン幅を含むＮＭＲ信号の強度に寄与する数多の要因がある。エンコードされたＮＭＲ信号の解像度がエンコード磁石の特性によって決定されるので、磁界とコイル形状を含むエンコード装置の特質は最適化される。例えば、像情報の解像度は、エンコード磁界を低めることをよって画像からの高磁界の高感度のアーチファクトを移動することによって改善できる。不変な磁界を備えたサンプル規模の感度差のために、解像度はより低い磁界で撮像することにより改善することができる。しかしながら、信号対ノイズでのコストがある。ここで言及される低い磁界は、典型的にはおよそ０Ｔｅｓｌａ乃至およそ１Ｔｅｓｌａ間の範囲である。
【００４４】
同様に、検出効率は、検出のためのより高い磁界が最適であることを示す検出周波数で線形に計る。より高い磁界は、およそ１Ｔｅｓｌａより高い磁界を意味する。エンコーダから遠隔の検出器は、信号がいまだ高磁界で検出されるため、シグナル対ノイズ比でのコストがない低磁界での像により、感度的に関した解像度利得を可能にする。
【００４５】
追加的に、検出磁界は不均一であり得、エンコード場によって決定される解像度を未だ産出する。これは、高磁界信号が高磁界磁石の研究室かまたはすべて利用可能である単に安価な水平でない磁石でのような不安定な設定に特に役立つことができる。確かに、高磁界磁石システムの主要なコストは、水平にし、低温学上磁石を冷却する困難さから来る。検出の均質の必要が減少される場合、検出は永久磁石又は高温電磁石を使用して導くことができる。結果として、検出に関するコストは、比較的低磁界の強度及び均質での水平でない検出装置の使用で多大に削減できる。
【００４６】
他の検出方法は、ＳＱＵＩＤ及び光学検出を含む高いエンコード磁界の使用を必要としない。これらの技術が両方とも磁化を直接測定するので、それらは、高差の周波数、したがって高信号を引き起こす、高い磁界に依存しない。前述の方法及び磁界の必要性を使用することは、分極化を維持する信号キャリアの必要性によって決定され得る。
【００４７】
加えて、高磁界は、エンコード中のわずかな化学的なシフト差を分析するためにサンプルの周囲で使用でき、次いで、高低いずれかの磁界で直接的に検出される。したがって、コイル形状と、エンコードコイル及び検出器でのサンプル状態は、遠隔検出で最適化できることが分かる。
【００４８】
遠隔検出はまた、肺の撮像などある医学的な応用で有利であってよい。例えば、患者は、肺細胞に吸着される吸入によってレーザー分極化のキセノンの量が与えられてよい。身体の周りに巻かれた巨大コイルの充満要素が乏しいので、従来のＭＲＩで吸着された信号を検出することは困難である。本発明の遠隔検出スキームで、キセノンの化学的なシフト及び位置は、身体周辺のｒｆパルス及び磁界勾配によって最初にエンコードされ、次いで発散されて、信号が検出され得る最適化された検出器に移動される。したがって、肺からのガスが最良の充満要素でコイル内に収集される場合、Ｓ／Ｎ比はより改善され得る。したがって、充満要素は、エンコード及び検出段階の空間的で一時的な分離を備えるＮＭＲ及びＭＲＩの無効空間において容易に改善できる。
【００４９】
同様に、従来のＭＲＩ装置とサンプルがエンコードされ得る一方で、患者はキセノンの量を吸入する。エンコードされた血液の経路は、侵略的でなくトレースできる。同様に、身体部分での血液の循環は、互換性を有する液体に溶解され、例えば、カテーテルによって導入された、分極化されたキセノンで脈管の制限及び同種のものにより追跡されるかもしれない。
【００５０】
同様に、低磁界のエンコードは、反磁性、常磁性又は強磁性の物質の存在で撮像することを可能にする。例えば、強い磁界に暴露された場合、磁性材料で作られた医学的な移植物を有する患者は、そのような移植物の移動を危険にする。結果として、それらの患者は、従来のＭＲＩ撮像の利点を現在において奪われている。エンコード及び検出段階の分離は、検出が高磁界で実行される一方で、非常に低い磁界でのエンコードを可能にする。
【００５１】
別の利点は、わずかな濃度のサンプルにおける信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）比が、検出器でエンコードされた信号キャリアを濃淡することによって実質的に改善できることである。信号キャリアセンサーのガス状サンプルは、凝縮或いは気圧調節のいずれかによって、又は化学的な濃淡方法によって濃淡できる。加えて、すべてのエンコードされた信号キャリアセンサーは、充満要素を改善することによって濃淡できる。
【００５２】
検出の代替となる方法はまた、空間的に分離されたエンコード及び検出段階の使用によって採用されてよい。例えば、パルス化された磁界の存在におけるＳＱＵＩＤ装置によって経験された制限は、ＮＭＲエンコードコイルの近接又は干渉磁界の他の供給源から検出器を移動することによって克服できる。検体サンプルからのスピンをエンコードするために必要なパルスは検出器から十分に移動され、高感度のＳＱＵＩＤ検出器が使用できる。
【００５３】
同様に、非線形のファラデー回転を使用するＲｂ−Ｘｅスピン交換又は光学磁力計による光学検出方法はさらに、伝統的なＮＭＲコイル検出に対する代替として使用されてよい。磁界の要求が多大に削減されるように、前述の方法は直接的に磁化を検出する。
【００５４】
したがって、遠隔検出は、以前は小さすぎて測定することができなかったが、現在はアクセス可能になることができた信号からの空間又は分光情報を獲得することを可能にするかもしれない。超低磁界のエンコードされたサンプルと、生物学的組織と、物質の低濃度部位は、遠隔検出での分光に対して、高感度であってよい。したがって、超低磁界でのＮＭＲ又はＭＲＩの実行は、サンプルにおける高感度勾配の効果を最小限にするだろう。したがって、金属の存在下における高度にヘテロなサンプルの分光及び撮像が可能であってよい。
【００５５】
図１を参照するに、本発明による方法１０の一つの実施態様の流れ図が一般的に示される。この実施態様において、好ましくは過分極化されたキセノンである信号キャリアの供給がブロック１２で提供される。信号キャリアは、エンコーダでのサンプル及びブロック１４でエンコードされたＮＭＲ信号を含有するチャンバーに導かれる。次いで、エンコードされた信号を保持する原子又は分子は、信号キャリアがブロック１８でエンコードされた信号を検出可能な方法を使用して濃淡及び検出できる際に、エンコーダからブロック１６での遠隔検出器に移動される。
【００５６】
さらに、図２、３及び４を参照するに、装置の閉じられたフローシステムの代替となる実施態様を認識できる。図２に示される実施態様において、信号キャリアの供給は、サンプルチャンバー２２に対する適切な管２６で接続されて、エンコーダ２４に好ましく存在する、ハイパーポラライザー２０で生成される。好ましい管のシステムは、システムでの様々な構成部分を通じて信号キャリアの選択的な流れを可能にする、一つ以上のバルブ２８を有する。
【００５７】
図２、３及び４に示される実施態様のシステムは、信号キャリアの連続的な流れを提供し、さらにシステムでの圧力を生成するポンプ３０を有する。閉じられたシステムが好ましい一方で、バッチ方法を使用するオープンシステムがまた熟考されることが理解されるだろう。オープンシステムの実施態様において、信号キャリア原子は、ハイパーポラライザー２０からエンコーダ２４へ、さらに最終的にはデコーダ３２へバッチで移動される。別のオープンシステムの実施態様は、エンコード及び検出コイルによるポンプセルから大気へと出る、連続的な流れを使用する。
【００５８】
特に、図１のブロック１２を参照するに、信号を保持するセンサーの供給が提供される。スピンの容積が一旦ある分極化を有すると、信号が記憶されて、サンプルが完全に飽和されるか又は縦方向に緩和されるまでの時間で後に検出できる、長いＴ１時間、事前分極化磁界若しくは小型のチップ角度（フラッシュ）を備える核を含む実施例により示される。信号キャリアは、プロトン及びサンプルでの他の原子と関連できるのと同様に、十分な長い緩和時間で分極化移動の可能性を有する、原子又は分子の種類を含有する磁気的に活性な核として、ここに定義される。信号キャリアは、好ましくは化学的に不活性であるが、分析されるサンプルと化学的又は生物学的に互換性があってよい。過分極化された希ガスは、本発明での好ましい信号保持センサーである。キセノンの核が１／２のスピンを有するので、１２９Ｘｅなどの希ガスはＮＭＲで特に有用である。
【００５９】
ガス状のキャリア原子が好ましいが、信号キャリアはガス状であるか又は液状であってよい。加えて、ガス状の信号キャリアは溶解されるか、又は液体若しくは他の気体で混合されてよい。それらの液体又は気体は、好ましくは、システムによるエンコーダからデコーダへの移動を容易にする。例えば、過分極化された１２９Ｘｅガスは液体又は気体と混合でき、分極化を数時間維持できることが示される。下記に限定しないが、前述の液体は、水、食塩水、等張バッファー、脂質乳剤、有機溶剤、水溶性のペルフルオロカーボン乳剤を含有するフルオロカーボンの血液代替物、及び他の医学的に安全な媒体を含んでよい。医学的でない応用において、信号キャリア分子の分極化を実質的に干渉しない任意の液体又は気体は、移動媒体として役立つかもしれない。多量のキセノン及び他の希ガスを溶解できる液体は、特に好ましい。
【００６０】
当該技術で周知の過分極化された希ガスを生成し蓄積するための多数の方法及び装置がある。高出力のレーザーアレイ及び連続的な流れの光学ポンプセルを含む過分極化された希ガスの生成における技術での最近の進歩は、直ちに使用できるか又は生成でき、かつ後の使用のために保存できる、多量の過分極化ガスの生成を可能にする。過分極化ガスの生成において典型的で好ましい方法は、好ましい希ガスを分極化するアルカリ金属の中間体を使用する、光学ポンプのスピン交換方法である。
【００６１】
図１、２、３及び４のブロック１４を参照するに、一旦、信号キャリアの供給が生成されて蓄積されると共に、キャリアはサンプルを保持するチャンバー２２に導入される。サンプルチャンバー２２は、エンコーダ２４に好ましく位置する。好ましいエンコーダ２４は、均質な磁界を提供する高解像度ＮＭＲ分光計を有する。サンプルチャンバー２２において、磁界勾配及び無線周波数パルスは、空間的であるか又は分光的情報をエンコードし、検出において信号キャリアの分子スピンを調製するように好ましく使用される。信号キャリア分子の流れは、エンコード及び検出段階中においてバルブ２８で好ましく停止される。
【００６２】
検出装置からのエンコード装置の空間的な分離は、コイル形状及び磁界強度を含んで選択されるエンコード及び検出のための最適な条件を可能にする。例えば、実施例１で示される図２の実施態様において、エンコードは高磁界で発生し、検出は高磁界で発生する。
【００６３】
代替として、実施例２で示される図３の実施態様において、エンコードは低磁界で発生し、検出は高磁界で発生する。別の実施態様において、エンコードは高磁界で発生し、検出は低磁界で発生する。高低の磁界のエンコード及び高低の検出の実施太陽が例証するために示されるが、エンコード磁界及び検出磁界は本質的な磁界の強度で提供されてよいことが理解されるだろう。
【００６４】
加えて、エンコードは均質な磁界内で好ましいが、エンコードがある環境下の不均質な磁界で発生してよいことが理解されるだろう。例えば、ポータブル装置は、信号が油又は同様のものを含有する多孔性物質などを備える磁界からの不均質な表面コイルによってエンコードされて使用されてよく、表面コイルで得られ得るシグナル対ノイズ比を増大するように良好な充満要素で検出される。
【００６５】
さらに、サンプルがある位置でエンコードされ、信号が別の位置で検出されるので、当該技術で周知の伝統的なパルスシークエンスは一時的かつ空間的に分割できる。好ましい実施態様において、過分極化された１２９Ｘｅキャリア分子は、チャンバー２２内のサンプルに伝達されて、ガスの流れは、第一パルス及び混合時間τｅｑ２以前で第二パルス後の平衡時間τｅｑを可能にするエンコードコイル２４における、
【００６６】
【数１】
2005515406.tif 000002
時間で停止される。好ましいエンコード段階は、可変のドウェル時間
【００６７】
【数２】
2005515406.tif 000003
によって分割された一連の２つの９０°パルスを含む。第一パルスはｘ−ｙ平面の歳差運動を開始し、第二パルスは±Ｚ方向の磁化を保存する。位相差が回転磁化とキャリア周波数との間で発展するので、±Ｚ方向に回転した磁化の大きさは、位相差の機能として変化する。
【００６８】
異なるパルススキームが高磁界及び低磁界のエンコードにおいて使用されてよいことが理解されるだろう。例えば、高磁界において、通常の回転フレームパルスが適用されてよい。この実施態様において、第二エンコードパルスによって保存された信号の振幅は、回転フレームのキャリア周波数に関して位相の発展に比例する。エンコーダ２４からのキャリア分子の磁化が振幅として保存されるので、保存される位相はなく、したがって、直角位相ではない。第二の低磁界パルスが回転フレームのｓｉｎとｃｏｓとの間で交互になるので、直角位相は検出中で分離的に実際と想像上のＦＩＤを獲得することによって再構成されてよい。
【００６９】
低磁界において、ある実施態様では、エンコードコイル２４のすべてのパルスは、ラボフレームにおけるＸ方向のゼロ位相で開始し、かつ終了する。パルス間の時間は、第二パルスが、ラボフレームのｘ方向に関しての位相の発展に比例した振幅を保存することを意味して、任意にセットされてよい。この場合、磁化の実際の歳差運動は、ラボフレームにマップされる。
【００７０】
ドウェル時間が長すぎてナイキスト条件と合致しない場合、明白な周波数が記録される。
【００７１】
【数３】
2005515406.tif 000004
図１のブロック１６を参照するに、エンコードされた信号キャリア分子は、図２に示されるように、エンコーダ２４から検出チャンバー３４を備える検出器３２へと移動時間Ｔｔで移動される。エンコードされた磁化は、期間
【００７２】
【数４】
2005515406.tif 000005
にわたって検出器に達する。Ｔｔは磁化が変化を示す最短時間として定義され、Ｔｄは検出間の時間である。Ｔｄは、検出コイル内のガスが９５％より多大で交換するように、好ましくは、十分な長さとなるように選択される。エンコード及び検出段階間の時間は、典型的にはミリ秒乃至数時間までの範囲であってよいか、又は信号キャリアサンプルは完全に飽和されるか若しくは縦方向に緩和されるまでであってよい。
【００７３】
代替となる実施態様において、エンコードされた信号キャリアはコンテナで収集され、検出器３２に移動される。検出が検出器中の３桁までのエンコードされた信号キャリア分子を濃淡することができる、物理的な圧縮か熱の補償を許容する前に、単にキャリア分子を削除し、より高い回転密度を産出し、非常に改善された信号対ノイズ比に結びつく、コイルの充満要素産出することが理解できる。
【００７４】
エンコーダ２４でエンコード段階が除外される場合、検出器３２での９０°パルス後の検出された信号の振幅が一定であることが理解される。加えて、エンコーダ２４での単一の９０°パルスは磁化に歳差運動をさせて、過分極化された１２９Ｘｅの場合、さらに高分極化を破壊する。位置間の移動時間Ｔｔは、断熱掃引パルス又はハードな１８０°パルスを使用してエンコードコイル２４での磁化を反転することによって実験的に決定されてよい。反転された磁化は、密封された管２６により流れるようなエンコードされない１２９Ｘｅと混合する。
【００７５】
かつて図１のブロック１８での検出コイルで、エンコードされた磁化の振幅は、示された実施態様の第三の９０°パルスを使用して好ましく検出される。エンコーダ２４での
【００７６】
【数５】
2005515406.tif 000006
の長さは、検出器３２におけるＦＩＤとして検出する場合のｚ方向の磁化の振幅を決定する。ｄｗ２を変化することによる振幅の変化は、エンコーダ２４での信号である。エンコードコイルでの
【００７７】
【数６】
2005515406.tif 000007
の変化は、二次元実験の部分としてエンコードされたＦＩＤを間接的にマップする。
【００７８】
次いで、一連の獲得は、図２に示される実施態様の検出器３２での検出コイルで好ましく成される。この一連のスペクトルのガスのピークの振幅の変化は、Ｔｔ＝０秒でのエンコーダ２４の反転した磁化により、完全に分極化全体の消去による。
【００７９】
遠隔検出処理において、データは、好ましくは二次元であり、例えば、図５で見られるようなポイントによってポイントが得られる。各エンコード段階において振幅は保存され、検出コイル３２への移動後に、間接的にエンコードされたスペクトルの単一ポイントとして獲得される。与えられた一連のエンコードパルス及び進展度から結果となる分極化は、検出器３２で検出される分極化の強度におけるｚ軸に沿って保存される。信号強度は、パルス及び進展の効果を多次元的に記録させる、各パルス強度及び進展度において測定されてよい。ポイントごとの検出スキームの使用は、等価の直接的に検出されたスペクトルよりも一次元以上のデータを有する遠隔的に検出されたスペクトルを生成するだろう。
【００８０】
高磁界での濃淡又は検出によって検出コイルの信号の振幅はまた、信号の平均化を可能にするのと同様に、より長い移動及び処理時間を可能にする。一つの実施態様において、機能化されたキセノン共鳴に関して中心にある選択的なパルスは、機能化されたキセノンピークの信号の平均化を可能にするために使用される。飽和間において、混合時間（τｍｉｘ）は、水で溶解される過度の分極化されたキセノンで飽和スピンを交換することによって機能化されたキセノン信号の補給を可能にする。一つの好ましいパルスは、選択的に磁化を飽和させるようにしたＥＢＵＲＰ１パルスである。
【００８１】
サンプルが検出コイル内に適合するために必要ではないために、検出器３２における最適コイルの形状は、図２及び３に示される実施態様で達成できる。さらに、検出器３２がエンコーダ２４から空間及び時間が分離されるので、代替となる検出方法が活用できる。例えば、超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤｓ）は、磁束の変化率よりも直接的に磁束を検出するために使用できる。ＳＱＵＩＤｓは、電子対がトンネル通過できる非常に薄い絶縁バリアによって典型的に形成される複数のジョセフソン接合を備える超伝導ループを一般的に含む磁界の非常に高感度の検出器である。磁界の存在において、超伝導物質での電流は、遭遇した磁界の変化の強度として変化し、それによって、磁界の変化と対応して容易に測定可能な電圧変化を提供する。予期できるように、周囲の磁界はＳＱＵＩＤ装置の正確な機能を干渉する。したがって、エンコードコイルの高磁界から空間的に分離されたＳＱＵＩＤ検出器は、エンコードコイル又は他の漂遊磁界の干渉を受けないだろう。
【００８２】
さらに図４を参照するに、光学検出器３６及び同様の方法は、高磁界検出器又はＳＱＵＩＤ装置の代替で使用できる。図４に示された実施態様において、光学検出装置３６は、エンコーダ２４からの分極化されてエンコードされた信号キャリアを受け、好ましくはルビジウムである気化されたアルカリ金属量を含む検出チャンバーを一般的に含む。好ましくはキセノンである信号キャリアは、ルビジウムの分極化を乱すルビジウムを備えた迅速なスピン交換を生成する。結果となるルビジウムの分極化は、１２９Ｘｅの分極化を間接的に報告し、光学的に直接検出できる。光学検出がＮＭＲ信号よりも高感度の度合いが高いので、特に低い１２９Ｘｅの濃度において、ＸｅのＮＭＲ／ＭＲＩの多大な振幅が得られる。代替として、非線形のファラデー回転を使用する光学磁力計もまた使用してよい。
【００８３】
光学検出の場合、多次元手段は伝導される必要はない。磁化が直接的に測定されるので、９０°パルスは、適用するように必要とされず、直接の大きさで検出するＦＩＤが存在しない。代わって、磁化の大きさは直接的に測定されて、ポイントごとにエンコードされたスペクトルでの一つのポイントを供給する。同様に、磁化のｚ構成部分に対応するエンコードされたスペクトルでの一つだけのデータポイントを測定する、ＳＱＵＩＤは磁力計として使用でき得る。しかしながら、本質的に任意の磁力計は、ｚ方向の磁化を測定し、ポイントによりむしろ得られたポイントであるが、一次元実験へデータを単純化する、エンコードされた信号の一つのポイントを供給する。
【００８４】
小型流体チップのような、小さな被験サンプル、生体内のセル、及びミクロ装置から発生するミニスキュール（ｍｉｎｉｓｃｕｌｅ）ＮＭＲ信号を測定するために、増幅された信号スキームが形態を提供することが理解されるかもしれない。さらに、溶解と溶質の相互作用、固体物質の表面特性、及びタンパク質と他の複雑な分子での疎水ポケットのような局所的構造を明らかにすることにおいて重大かもしれない物質でのわずかなＳＰＩＮＯＥ効果の検出を可能にできる。
【００８５】
このサンプルは撮像及び分光でのコントラスト剤として使用するため超低磁界でサンプルのＸｅ化学シフトの測定において提供することが認識できる。肺を取り囲む組織のＸｅの拡散、交換及び撮像のモニター化は、肺でエンコードして身体外で検出することによって伝導され得る。
【００８６】
同様に、この実施態様は、サンプルの選択的な撮像を提供してよい、希ガスとサンプルとの相互作用の分析のために提供する。増幅された信号はまた、孤立された単一のスピンシステムでの基本的な物理の研究を可能にしてよい。
【００８７】
したがって、光学的に検出されたＮＭＲ／ＭＲＩ信号を備える図４に示された実施態様は、従来のＮＭＲ検出装置を使用して典型的に検出されるサンプルからのＸｅ信号を増幅する方法を提供する。
【００８８】
本発明は、当業者にとって、多数の修正、適合及び変形が明らかであるので、例証する目的のみで下記の実施例でより特異的に記載される。
【実施例１】
【００８９】
遠隔検出の概念の予備テストは、同じ磁界を備える同じＮＭＲ分光計内にエンコードコイル及び検出コイルの両方が制御され、エンコードコイルと検出コイルとの間の最短移動距離を有する装置を使用した。使用された高磁界のエンコードプローブは、ｒｆシールドとして作用する銅のシートによって中心間を２ｃｍにして分離した２つのコイルを含む。エンコードコイル及び検出コイルの各々は、８３．２５ＭＨｚに同調したバリアンインフィニティプラス（Ｖａｒｉａｎ  Ｉｎｆｉｎｉｔｙ  Ｐｌｕｓ）分光計の個別のｘチャンネルによって制御される。
【００９０】
１乃至５％に分極化された過分極化された１２９Ｘｅは、ＭＩＴＩからの市販のポラライザーを使用して生成された。分極化された１２９Ｘｅガスの生成後、流れはエンコードコイル及び検出コイルにより連続して導かれ、その後研究室の大気へと失われたか、又は代替としてポラライザーに戻された。ガスの流率は、銀が塗布された針バルブ及び内蔵のフローメーターにより圧力差を使用して制御された。ガスは、ＴＴＬ駆動型の自家製ガス・フロー・バルブを使用して、パルスシークエンスの間に止められた。低い又はエンコードコイルの被験サンプルは、エーロゲル水晶のパックされた層である。エーロゲルは、１２９Ｘｅをエーロゲルの格子を自由に通過させ、さらに１２９Ｘｅに境界づけるように対応する約２５ｐｐｍの化学的なシフトを生産する、低密度のケイ酸塩である。
【００９１】
遠隔検出の利点は、異なる磁界の強さ及びサンプル位置の用途の広い使用から獲得される。この実験上の柔軟性を示すために、高磁界の遠隔検出装置に移動された信号キャリアの低磁界のエンコードは、図３に概略して示されるように構成された。１２９Ｘｅは、自家製の循環フローポラライザーで１乃至２％に分極化された。分極化されたガスは、磁気駆動型の再循環ポンプを使用して１／８インチのテフロン（登録商標）管により押される。分光計から引き起こされるように形状化されたＡＳＣＯ３方式のガス・フロー・バルブは、効果的な機能をパルスシークエンス中に流れを停止するようにさせる、磁石又はポラライザーの入り口への戻りのいずれかにより、ガスの流れを転送ように使用された。ガスは、流れによる勾配により信号の損失を避けるために、エンコード段階で好ましくは一時的に停止される。バイパス・ループへのフローの転送は、磁石ループ中の分極化されたガスを有効に止めた。Ｘｅ／Ｎ２／Ｈｅの分極化のガスの混合は、７ａｔｍの総圧力下で１／２／３の比率で混合した。分極化処理の他の詳細は、既に記載されている。
【００９２】
エンコード磁石及びプローブは、両者とも自家製造された。８．１９Ａの電流を備える７０．１Ｇａｕｓｓの均質な磁界を提供する磁石が適用された。プローブは、８３．３ｋＨｚの周波数に対応して同調され、プローブのインピーダンスは標準のタンク回路を備える５０ｏｈｍｓと一致した。パルスはゲート制御され、ヒューレッドパッカード３３１４Ａ周波数発生器から生じて、アンプリフィアーリサーチ７５ワット（Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  ７５Ｗａｔｔ）の単一の利得増幅器によって２０Ｖｐ−ｐまで増幅された。８Ｖｐ−ｐのパルスで、実験上の９０°時間は約４８μｓであった。三次元の勾配コイルは、磁石孔の外側に固定された。これは、プローブを勾配磁石から独立して移動させる。高磁界検出の磁石は、周波数が４９．７８２ＭＨｚの１２９Ｘｅを備える４．２３Ｔの超ワイドな孔であった。自家製の撮像プローブは、ケムマグネティック（Ｃｈｅｍ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ）分光計のｘチャンネルから制御された。
【００９３】
図２に一変的に示される高磁界エンコード及び高磁界検出装置は、図５に示され、同じサンプルの直接の測定から得られるスペクトルで比較するためのスペクトルを獲得するために使用された。遠隔信号が、検出コイル３２のキセノンサンプルを濃淡することによって増幅され得ることが示された。遠隔検出器でのポイントごとに得られたスペクトルが、エンコードＮＭＲコイルで直接的に検出されたスペクトルと本質的に同一であることが高磁界実験での比較から認識できた。エンコードコイル２４のサンプルは、Ｘｅガスピークに関する２５ｐｐｍまでの化学的なシフトを有するエーロゲルサンプルであった。直接のスペクトルは比較におけるエンコードコイル２４から記録され、信号対ノイズ比が２：１までの吸収されたピークを有した。遠隔スペクトルは、１２９Ｘｅガスピークと、吸収された位相ピークと、及びエンコードコイル２４でエンコードされなかった１２９Ｘｅから出るＤＣオフセットピークに対応する３ピークを有する。遠隔検出されたスペクトルの吸収されたピークの信号対ノイズ比（Ｓ／Ｎ）は、２０：１までとなることが判明した。２つのスペクトル間の信号の増幅は、エン核実験の検出コイル内のスピンの高まった密度に寄与できる。これは、１０倍に改善された充満率でコイルを使用することによって達成できた。
【００９４】
多大なゼロピークが遠隔スペクトルの一次元の投射に現れることが認識された。１２９Ｘｅガスがエンコードされた後、エンコードコイルから検出コイルまで移動した。ガスのエンコードされた部分は、ガスの流れ及び拡散の法則に続く移動時間中にエンコードされないガスと混合された。したがって、検出コイル３２で検出された信号の振幅は、エンコードされた１２９Ｘｅとエンコードされない１２９Ｘｅの混合であった。エンコードされた信号の振幅はポイントごとのエンコードによって変調されたが、エンコードされない信号は一定である。フーリエ変換が直接次元のデータで実行された後、変調された信号は、流れから混合されたエンコードされない１２９Ｘｅにより多大なＤＣオフセットを有するように現れた。ＤＣオフセットは、図５の間接次元の処理以前にコンピュータ処理的に除去された。スペクトルのＤＣオフセットピークは、実験の間に全面的な分極化が変更した程度を反映された。
【００９５】
さらに、遠隔スペクトルのＳ／Ｎが直接的に検出されたスペクトルに対して優れていたことが認識された。Ｓ／Ｎの改善は、検出コイルでの充満要素の改善に寄与できる。ガスの同一量は各実験でエンコードされるが、ガスがより完全にコイル容積を満たすので、充満要素は遠隔検出において良好であった。原理は、エンコードされたガスのスピン密度が低い、任意の遠隔で検出された信号の信号を改善するために使用できる。信号は、検出コイル３２でのスピンの密度を高めることによって増幅できる。
【実施例２】
【００９６】
図３で一般的に示された装置を使用して、低磁界エンコード及び高磁界検出処理が実行された。この処理において、二次元画像は、０．００８Ｔでエンコードされて４Ｔで検出された、サンプル及びＸｅガスから得られた。実験上の装置とパルスシークエンスは、周波数のエンコード勾配が２つのエンコードの９０°パルス間に加えられた例外を有する実施例１における装置とパルスシークエンスと同一である。移動時間は、０．６ｍｌ／ｓまでの流率に対応する１０秒に設定された。
【００９７】
遠隔画像を検出コイルで適切に再構成されるように、好ましくは、すべてのエンコードガスは検出コイルで検出されるだろう。拡散及び流れの処理は、エンコードされたサンプルをエンコードされないガスと混合させて、管の長さに反って空間的に拡散される。移動した総距離は約５ｍであり、エンコードされたサンプルの移動は、移動時間に関した測定よりも良好である。
【００９８】
移動時間Ｔｔは、断熱掃引パルスを使用し、次いで、検出コイル３２に対して流れる反転したサンプルにおいて必要な時間を測定するエンコーダ２４で磁化を反転することによって好ましく決定される。より長いＴｔは、エンコードされたサンプルの振幅の劣った変調及び多大な一時的な拡散を導く、さらなる拡散及び混合を可能にする。
【００９９】
この実施例で撮像されるガスサンプルのＴｔは、１０秒乃至１２．７秒間であった。単一の９０°パルスは、検出コイルのガスの流れに適用され、検出コイルの０．１５ｓまでに存在する容積での信号の振幅が表されたＦＩＤが得られた。これは、検出時間Ｔｄと呼ばれる。エンコードされたＸｅサンプルは、検出コイルを通過する総２．７ｓを獲得し、時間Ｔｄ＝０．１５ｓ及び平均によって分割された１８の９０°パルスが、全画像からエンコードされた信号を獲得するために必要であることを意味する。画像の解像度は、エンコードされたサンプルの全体を獲得することによって改善されるが、Ｓ／Ｎは強度に変調されるＴｄのみを平均化することによって改善される。
【０１００】
２２．５°が実行されたことによって分割された８つの一次元の投射を生成するようにｘ及びｙ方向の勾配コイルによる電流を循環する。各投射は、１．２ｍｍの解像度を生じる、規定の角度及び６４ポイントのＦＩＤに沿って方位づけされた１．２３ｍＴ／ｍ勾配を有する。１１．２５°によって分割された１６の６４ポイントの一次元の投射からなる画像が得られた。投射角度は、１１．２５°の整数の倍数によって低磁界プローブを物理的に回転することによって形成された。得られた画像の投射のすべては、ゼロでの満たし乃至２５６ポイントまでであって、適切なアポディゼーション・フィルタによって増加された。加えて、投射は、ローレンツのフィット（Ｌｏｒｅｎｚｉａｎ  ｆｉｔ）を使用して、各投射を中心付けすることによって低磁界の磁石ドリフトにおいて修正された。
【０１０１】
したがって、本発明は、分極化された信号キャリア分子のＮＭＲ／ＭＲＩ像における高感度技術を提供し、最適化される各段階の条件を許容する信号のエンコード及び検出段階の空間的で一時的な分離を可能にする装置及び方法であることが認識されるだろう。感度の高い勾配の存在における像は、低いＢ０磁界及び低い周波数信号を使用して実行でき、エンコードされた信号キャリアは別の位置まで移動でき、高磁界で検出できる。信号対ノイズ比はまた、より高いスピン密度及びコイルの充満要素を生成する信号キャリア原子の物理的圧縮又は熱的凝縮によって最適できる。遠隔の光学検出はまた、従来の回転コイルにわたって信号の増幅を提供してもよい。
【０１０２】
上記の記述は多くの特異性を含んでいるが、これらは、本発明の範囲の制限として解釈されるべきではなく、本発明のまもなく好ましい実施例のうちの数多の実例を単に提供することとして解釈される。したがって、本発明の範囲は、当業者にとって明白となってよい他の実施態様を完全に包含し、本発明の範囲は添付された請求項以外では制限されず、単数で表した要素は、“一つ以上”と表現する以外は“唯一の一つ”を意味することを意図していないことが認識されるだろう。当業者にとって周知である上述した好ましい実施態様の要素に対してすべての構造的で化学的で機能的な等価物は、参照としてここに組み入れられて表され、本請求項によって包含されるように意図される。さらに、請求項によって包含される本発明によって解決されるように求められるすべての問題をアドレスすることは装置及び方法にとって必要ではない。さらに、本開示の要素、構成部分、又は方法の段階のどれも、要素、構成部分、又は方法の段階が請求項で明示的に詳細に記載されるかどうかにかかわらず公に専心的なようには意図されない。もし表現“〜のための手段”を使用して、要素が明らかに詳細に記載されなければ、請求項の要素はここに３５ＵＳＣの第６段落の規定下で解釈されない。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明による遠隔ＮＭＲ検出の流れ図である。
【図２】閉鎖システムでの高磁界のＮＭＲエンコーダと遠隔の高磁界検出器を備える本発明の装置の一つの実施態様の概略図である。
【図３】閉鎖システムでの低磁界のＮＭＲエンコーダと遠隔の高磁界検出器を備える本発明の装置の一つの実施態様の概略図である。
【図４】閉鎖システムでの低磁界のＮＭＲエンコーダと代替となる光学検出器を備える本発明の装置の一つの実施態様の概略図である。
【図５】キセノンの化学シフトの遠隔検出の二次元グラフである。
【図６】本発明による図３に示された低磁界エンコード及び高磁界検出のためのパルスシークエンスを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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