МРТ С ГИПЕРПОЛЯРИЗАЦИОННЫМ УСТРОЙСТВОМ, ИСПОЛЬЗУЮЩИМ ФОТОНЫ С ОРБИТАЛЬНЫМ УГЛОВЫМ МОМЕНТОМ
MRI WITH HYPERPOLARISATION DEVICE USING PHOTONS WITH ORBITAL ANGULAR MOMENTUM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изобретение относится к магнитно-резонансной системе для исследования, в которой предусмотрено гиперполяризационное устройство на фотонной основе.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Такая магнитно-резонансная система для исследования описана в международной заявке PCT/IB2008/055444. Также в ISMRM 2008, реферат на стр. 3200, упомянута такая магнитно-резонансная система для исследования, в которой предусмотрено гиперполяризационное устройство на фотонной основе.
Магнитно-резонансная система для исследования, описанная в указанной выше международной заявке, содержит гиперполяризационное устройство на основе оптики. В частности, гиперполяризационное устройство генерирует оптический (например, световой) пучок, который имеет орбитальный угловой момент. Орбитальный угловой момент (ОУМ) светового пучка совместно с (ядерными или молекулярными) диполями (или спинами) генерирует (ядерную или молекулярную) поляризацию. Эту поляризацию возбуждают РЧ-излучением, и при релаксации возбуждения происходит образование магнитно-резонансных сигналов. По этим магнитно-резонансным сигналам реконструируют магнитно-резонансное изображение. Поскольку поляризацию генерируют посредством орбитального углового момента светового пучка, для генерации магнитно-резонансных сигналов с относительно высоким отношением сигнала к шуму нужно или только слабое внешнее магнитное поле или магнитное поле не нужно вовсе. В известном гиперполяризационном устройстве на основе оптики вероятность взаимодействия ОУМ выше, когда диаметр пучка меньше. Известная магнитно-резонансная система для исследования подразумевает интервенционную процедуру для генерации поляризации во внутренней части объекта, подлежащего исследованию, в частности пациента, подлежащего исследованию. В частности, катетерный или игольчатый зонд используют для гиперполяризации крови выше по кровотоку, чем интересующая область.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель изобретения состоит в том, чтобы предоставить магнитно-резонансную систему для исследования на фотонной основе, которая обладает большей гибкостью в отношении визуализации внутренней части объекта, подлежащего исследованию.
Эту цель достигают посредством магнитно-резонансной системы для исследования согласно изобретению, которая содержит:
- РЧ-систему для того, чтобы индуцировать резонанс в поляризованных диполях и получать магнитно-резонансные сигналы от объекта, подлежащего исследованию,
- гиперполяризационное устройство на фотонной основе с
- электромагнитным источником для испускания фотонного излучения, которое имеет существенную глубину проникновения в вещество объекта, в частности в ткань, подлежащую исследованию,
- преобразователем мод для того, чтобы создавать орбитальный угловой момент в электромагнитном излучении,
- пространственным фильтром для того, чтобы отбирать из преобразователя мод дифрагированный или рефрагированный фотонный пучок, обладающий орбитальным угловым моментом для поляризации диполей посредством перенесенного орбитального углового момента.
Поскольку фотонное излучение, обладающее орбитальным угловым моментом (ОУМ), проникает в вещество, такое как ткань пациента, подлежащего исследованию, фотонное излучение, обладающее ОУМ, может достигать интересующей области, подлежащей визуализации, снаружи объекта. Таким образом, гиперполяризацию вещества, такого как ткань, достигают внутри объекта без необходимого интервенционного инструмента, такого как катетерное или игольчатое устройство. В частности, фотонное излучение, обладающее энергией в диапазоне от 0,1 кэВ, подходящей для проникновения на сантиметры через кожу, жир, жидкие продукты обмена веществ, ткань головного мозга и т.д., или даже до 10 кэВ, подходящей для проникновения на сантиметры через череп или костную ткань. Фотонное излучение, обладающее энергией в рентгеновском диапазоне, возбуждает орбитали внутренней электронной оболочки, в частности это относится к электронным оболочкам K, L и M. Таким образом, большое число электронов взаимодействует с фотонным излучением, что обуславливает увеличение поперечных сечений фотон-молекулярных взаимодействий и, следовательно, усиление ОУМ для переноса молекулярного вращения и спинов электронов, что в конечном итоге генерирует магнитное гиперполяризованное состояние, необходимое для получения магнитно-резонансных сигналов с высоким отношением сигнала к шуму.
Такое магнитно-резонансное изображение может представлять морфологию исследуемого объекта, такого как пациент, подлежащий исследованию. Также можно представлять функциональную информацию, например, в форме BOLD (снижение уровня кислорода в крови) сигналов. Альтернативно, из магнитно-резонансных сигналов также можно реконструировать данные магнитно-резонансной спектроскопии.
Эти и другие аспекты изобретения дополнительно разъяснены в отношении вариантов осуществления, определяемый в зависимых пунктах формулы изобретения.
В одном из примеров магнитно-резонансной системы для исследования по изобретению предусмотрена оптическая система для фокусировки фотонного излучения, обладающего ОУМ, на целевой зоне, представляющей особый интерес. Таким образом, создают узкую фокальную область, что повышает степень поляризации вещества, такого как ткань, вследствие взаимодействия с молекулами или ядрами вещества, подлежащего исследованию. Повышенная степень (гипер)поляризации повышает отношение сигнала к шуму в генерируемых магнитно-резонансных сигналах.
В другом примере магнитно-резонансной системы для исследования по изобретению предусмотрен набор поляризаторов для круговой поляризации фотонного излучения электромагнитного источника, проходная фазовая голограмма для того, чтобы создать орбитальный угловой момент в фотонном излучении с круговой поляризацией и фокусирующая оптика, которая включает параболическое цилиндрическое зеркало с выпуклым зеркалом для фокусировки фотонного излучения, обладающего орбитальным угловым моментом. Параболическое цилиндрическое зеркало формирует множество параллельных пучков, разделенных по энергии. В диапазоне от 0,1 кэВ до 10 кэВ фокусировку можно осуществлять посредством пластинок Френеля, которые представляют собой дифракционные сетки, ограничивающие концентрические металлические круги с минимальным значением шага 40 нм, равным дифракционной решетке. Таким образом, можно выбирать желаемую энергию посредством преграды для луча, которую размещают для того, чтобы блокировать параллельные лучи, которые имеют энергию, выходящую за пределы желаемого диапазона. Хороших результатов достигают, в частности, когда отношение шага паттерна голографической решетки к длине волны рентгеновских лучей находится в диапазоне 4:1 при 0,1 кэВ или 400:1 при 10 кэВ. Для шага решетки 40 нм при 0,1 кэВ (длина волны 10 нм) это отношение составляет 4:1. Та же решетка, используемая при 10 кэВ (0,1 нм), создает пучок с ожидаемой ОУМ, а отношение шага решетки к длине волны в этот раз составляет 400:1. В обоих случаях угол дифракционной решетки (~5,00 и соответственно ~0,050) позволяет отделять дифракцию первого порядка от дифракции нулевого порядка после короткого оптического пути 25 см. K, L и M орбитальные поглощательные переходы являются квазинепрерывными для рентгеновских лучей в диапазоне от 0,1 до 10 кэВ, следовательно индуцированные молекулярно-вращательные переходы имеют длительный срок жизни (большое поперечное сечение), пропорциональное значению ОУМ.
В дополнительном аспекте изобретения предусмотрены вогнутые подвижные зеркала для сканирования фотонного пучка с угловым моментом в поле зрения. Таким образом, сканируют фокусное пятно пучка и в последовательных положениях в поле зрения генерируют гиперполяризацию, а затем магнитно-резонансные сигналы. Это позволяет обойтись без градиентного магнитного поля для пространственного кодирования магнитно-резонансных сигналов. Таким образом, в дополнительном аспекте изобретения магнитно-резонансные сигналы предоставляют с использованием магнитной системы, которая обеспечивает только статическое магнитное поле.
Эти и другие аспекты изобретения освещены в отношении вариантов осуществления, описанных далее в настоящем документе, и в отношении сопроводительных чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показано схематическое представление варианта осуществления фотонного гиперполяризационного устройства, которое используют в сочетании с магнитно-резонансной системой для исследования в соответствии с изобретением,
на фиг.2 показано схематическое представление магнитно-резонансной системы для исследования согласно изобретению, которая работает в сочетании с фотонным гиперполяризационным устройством фиг.1.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На фиг.1 показано схематическое представление варианта осуществления фотонного гиперполяризационного устройства, которое содержит (миниатюрный) источник 21 рентгеновского излучения в качестве электромагнитного источника. Миниатюрные широкополосные источники рентгеновского излучения обладают энергиями в диапазоне от 0,1 кэВ до 10 кэВ, т.е. ультрамягкие или мягкие рентгеновские лучи. Вещество анода источника рентгеновского излучения имеет узкий энергетический пик, расположенный в диапазоне от 0,1 кэВ до 40 кэВ (указан выше), где энергии характерны для типа анода (например, 1,8 кэВ для Al, 2 кэВ для Si, 8 кэВ для Cu Kα, 9 кэВ для Cu Kβ). В некоторых применениях эти пики используют для повышения эффективности преобразования мощности рентгеновской трубки. Источник рентгеновского излучения содержит энергетический фильтр 31, который фильтрует, например, энергетические уровни оболочки Lα. Коллиматор 32 пучка коллимирует отфильтрованный рентгеновский пучок. Коллимированный пучок поляризуют и поляризуют по кругу с помощью набора поляризаторов и четвертьволновой пластинки 33. Затем рентгеновский пучок с круговой поляризацией проходит через проходную фазовую голограмму 22, которая придает рентгеновским фотонам орбитальный угловой момент (ОУМ). Затем с помощью пространственного фильтра 23 отбирают дифракцию первого порядка; этот пространственный фильтр отбирает фотоны, которые обладают ОУМ. Параболическое цилиндрическое зеркало 35 создает параллельный пучок рентгеновских лучей, обладающих ОУМ. Это позволяет осуществлять разделение рентгеновских лучей по энергии. Набор подвижных вогнутых зеркал 36 вместе с параболическим зеркалом 37 образуют фокусирующую оптику 24, которая фокусирует рентгеновский пучок, обладающий ОУМ, на геометрическое место на полусфере. В приведенном примере фокус лежит внутри головного мозга человека. Центр области анализа расположен на эквивалентном изоцентре параболического зеркала, следовательно поле зрения (ПЗ) представляет собой сферический сегмент с радиусом кривизны до 5 см и максимальным угол обзора ~90° (функция фокального значения вогнутых зеркал).
Фокусирующая оптика с подвижными вогнутыми зеркалами создает фокальную точку в любой точке на поверхности этого ПЗ. В фокальной точке ОУМ рентгеновских фотонов переносят на молекулы. Как указано выше, это перенаправляет молекулярные угловые моменты в направлении падающего пучка. Наряду с насыщением орбитальной популяции спинов электронов, этот эффект влияет на ориентацию ядер по отношению к падающему пучку света (сверхтонкое взаимодействие), таким образом в фокальной точке получают гиперполяризованное состояние вещества. Степень поляризации, получаемой таким способом, на порядки величины лучше, чем то, чего возможно добиться с помощью эффекта Зеемана.
0
0
0
0
Высокая степень магнитной поляризации позволяет использовать очень слабое магнитное поле B для ядерного магнитного резонанса. С этой целью предусмотрены катушки 38, которые генерируют слабое магнитное поле. В то же время не нужно дополнительное РЧ экранирование, поскольку ЯМР сигнал является очень сильным и фокальная точка, в которой наблюдают ЯМР, расположена близко к принимающей РЧ катушке. Магнитное поле, создаваемое катушкой 38 (B и РЧ катушки), не обязательно является однородным. Неоднородность B следует отнести на счет «заводской калибровки устройства», которую также называют «шиммирование», где пространственное распределение B и пространственное картирование рентгеновских фокальных точек следует осуществлять и коррелировать таким образом, что для любой фокальной точки(ек) рентгеновского пучка, амплитуда и ориентация магнитного поля была известна, а широкополосную принимающую катушку должным образом корректируют (настраивают) для захвата MRS сигналов их полосе частот. Поскольку катушки, которые генерируют статическое магнитное поле, встроены в фотонное гиперполяризационное устройство, нет необходимости в неподвижно установленном основном магните и поэтому магнитно-резонансную систему для исследования по изобретению можно сконструировать в виде портативной системы.
В отличие от стандартного МРТ, нет необходимости в градиентной катушке; вместо этого пространственное кодирование осуществляют путем последовательного перемещения фокальной точки, что позволяет исследовать вещество с фундаментальным пространственным разрешением с размером фокальной точки
3
0
~10 нм. На практике разрешение устройства ограничено концентрацией молекул-мишеней, сканирующими способностями фокусирующей оптики и временем регистрации. Каждая последовательность РЧ измерений получает широкополосные FID, полученные путем фокусирования сигнала в одной фокальной точке в пространстве (в месте фокальной точки на поверхности) и импульсной работы источника рентгеновского излучения (триггер FID последовательностей). Влияние неоднородности B следует компенсировать посредством способов предварительной калибровки.
В другом варианте осуществления, как показано на фиг.2, гиперполяризационное устройство 20 на фотонной основе, как описано выше, можно использовать в сочетании с магнитно-резонансным сканером 40. Например, гиперполяризационное устройство на фотонной основе 20 встроено в структуру магнитно-резонансного сканера, более конкретно гиперполяризационное устройство 20 на фотонной основе можно использовать в качестве отдельного модуля. Магнитно-резонансный сканер 40 может представлять собой систему открытого поля (открытая МРТ система), которая содержит вертикальный блок 42 основного магнита. Блок 42 основного магнита создает по существу постоянное основное магнитное поле, ориентированное вдоль вертикальной оси области визуализации. Несмотря на то что проиллюстрирован вертикальный блок 42 основного магнита, следует понимать, что также предусмотрены другие компоновки магнита, такие как цилиндрическая и другие конфигурации. В этом варианте осуществления можно обойтись без катушек 38 фотонного гиперполяризационного устройства 20. Альтернативно, статическое магнитное поле катушек 38 гиперполяризационного устройства на фотонной основе создает статическое магнитное поле, которое параллельно статическому магнитному полю магнитно-резонансного сканера.
Блок 44 градиентной катушки создает градиентное магнитное поле в области визуализации для пространственного кодирования основного магнитного поля. Предпочтительно, блок 44 катушки градиентного магнитного поля содержит сегменты катушки, выполненные с возможностью создавать градиентные импульсы магнитного поля в трех ортогональных направлениях, типично продольном или z, поперечном или x и вертикальном или y направлении. В некоторых вариантах осуществления как блок 42 основного магнита, так и блок 44 градиентного поля используют наряду с оптической поляризацией.
Блок 46 радиочастотной катушки (иллюстрирована в виде катушки головы, хотя также предусмотрены поверхностная катушка и катушка всего тела) генерирует радиочастотные импульсы для возбуждения резонанса в диполях субъекта. Блок 46 радиочастотной катушки также служит для определения сигналов резонанса, исходящих из области визуализации. Блок 46 радиочастотной катушки можно использовать для того, чтобы дополнять оптическое возмущение предварительно созданной поляризации.
Усилители 48 градиентных импульсов подают управляемые электрические токи на блок 44 градиентного магнитного поля для получения выбранных градиентов магнитного поля. Радиочастотный передатчик 50, предпочтительно цифровой, подает радиочастотные импульсы или пакеты импульсов на блок 46 радиочастотной катушки для того, чтобы возбудить выбранный резонанс. Радиочастотный приемник 52 соединен с блоком 46 катушки или отдельными принимающими катушками для получения и демодуляции индуцированных резонансных сигналов.
Для получения данных резонансной визуализации субъекта, субъекта помещают внутрь области визуализации. Контроллер 54 последовательности соединен с градиентными усилителями 48 и радиочастотным передатчиком 50 для того, чтобы дополнить оптическую модуляцию интересующей области. Например, контроллер 54 последовательности может создавать выбранное устойчивое состояние повторного эхо или другие резонансные последовательности, пространственно кодировать такие резонансы, избирательно манипулировать или портить резонансы или иным образом генерировать выбранные магнитно-резонансные сигналы, характерные для субъекта. Генерируемые резонансные сигналы обнаруживают посредством блока 46 РЧ катушки, передают на радиочастотный приемник 52, демодулируют и хранят в памяти 56 k-пространства. Данные визуализации реконструируют с помощью реконструирующего процессора 58 для получения одного или нескольких визуальных представлений, которые хранят в памяти 60 изображений. В одном подходящем варианте осуществления реконструирующий процессор 58 осуществляет реконструкцию обратного преобразования Фурье.
Получаемое визуальное представление(я) обрабатывают посредством процессора 62 видео и отображают в пользовательском интерфейсе 64, оборудованном удобочитаемым для человека дисплеем. Интерфейс 64 предпочтительно представляет собой персональный компьютер или рабочую станцию. Вместо получения видеоизображения, визуальное представление можно обработать с помощью драйвера принтера и напечатать, передать по компьютерной сети или через интернет, или т.п.
Предпочтительно пользовательский интерфейс 64 также позволяет радиологу или другому оператору связаться с контроллером 54 последовательности для того, чтобы выбрать последовательности магнитно-резонансной визуализации, модифицировать последовательности визуализации, исполнять последовательности визуализации и т.д.