ES2201572T3

ES2201572T3 - Procedimientos de descongelacion y recuperacion de los gases polarizados.

Info

Publication number: ES2201572T3
Application number: ES98967030T
Authority: ES
Inventors: Bastiaan Driehuys; David Zollinger; Daniel Deaton; K. C. Hasson; Alan Langhorn
Original assignee: Medi Physics Inc
Current assignee: Medi Physics Inc
Priority date: 1997-12-12
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 2004-03-16
Anticipated expiration: 2018-12-11
Also published as: ES2239192T3; AU3448499A; PL341598A1; CN1284158A; JP2002500337A; ATE238540T1; US6199385B1; ATE290194T1; JP4558931B2; DE69813904D1; IL136494A0; JP2010094504A; IL136494A; DK1051602T3; EP1051602A2; DE69813904T2; BR9813492A; PT1051602E; EP1051602B1; CA2313480C

Abstract

Un método para alargar la vida útil de la polarización de un producto de gas noble polarizado, comprendiendo los pasos de: disponer un campo magnético; congelar un gas noble polarizado; sellar el gas noble congelado en un dispositivo contenedor para recoger en el mismo una cantidad de gas polarizado congelado; caracterizado por comprender además los pasos de: descongelar el gas noble polarizado en presencia de un campo magnético; y pasar una cantidad sustancial del gas noble polarizado directamente a la fase líquida en un recipiente sellado durante dicho paso de descongelación.

Description

Procedimientos de descongelación y recuperación de los gases polarizados.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un método para alargar la vida útil de polarización de un gas noble polarizable comprendiendo las características de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. Tal método es conocido a partir de la US-A-S 642625. La invención se refiere también a los productos del gas noble producidos con tal método.

Antecedentes de la invención

Convencionalmente, se ha utilizado la MRI para producir imágenes excitando el núcleo de moléculas de hidrógeno (presente en protones de agua) en el cuerpo humano. Sin embargo, se ha descubierto recientemente que los gases nobles polarizables pueden producir imágenes mejoradas de ciertas zonas y regiones del cuerpo que hasta ahora han producido imágenes mucho menos que satisfactorias en esta modalidad. Se ha descubierto que el Helio polarizado ("^{3}He") y el Xenon-129 ("^{129}Xe") son especialmente adecuados para este fin. Desgraciadamente, como se analizará más adelante, el estado polarizado de los gases es sensible a las condiciones de manipulación y medioambientales y puede, involuntariamente, desaparecer de forma relativamente rápida a partir del estado polarizado.

Se utilizan hiperpolarizadores para producir y acumular gases nobles polarizados. Los hiperpolarizadores aumentan artificialmente la polarización de determinados núcleos de gases nobles (tales como ^{129}Xe o ^{3}He) sobre los niveles naturales o de equilibrio, es decir, la polarización Boltzman. Tal aumento es deseable porque aumenta y realza la intensidad de la señal de las Imágenes obtenidas por Resonancia Magnética ("MRI"), permitiendo a los médicos obtener mejores imágenes de las sustancias corporales. Ver la Patente U.S. Núm. 5.545.396 para Albert y otros.

Con el fin de producir el gas hiperpolarizado, el gas noble es normalmente mezclado con vapores de metales alcalinos tales como el rubidio ("Rb") bombeados ópticamente. Estos vapores metálicos bombeados ópticamente chocan con los núcleos del gas noble e hiperpolarizan el gas noble por medio de un fenómeno conocido como "intercambio-del-espín". El "bombeo óptico" del vapor metálico alcalino se produce irradiando el vapor del metal alcalino con luz polarizada circularmente a la longitud de onda de la primera resonancia principal del metal alcalino (por ej., 795 nm para el Rb). Generalmente, los átomos se excitan a partir de su estado de mínima energía, y más tarde van decayendo otra vez hasta el estado de mínima energía. Bajo el efecto de un modesto campo magnético (10 Gauss), la oscilación de los átomos entre los estados de excitación y de mínima energía puede producir la polarización casi al 100% de los átomos en unos pocos microsegundos. Esta polarización generalmente tiene efecto en el electrón de valencia característico del metal alcalino. En presencia de gases nobles de espín nuclear no-cero, los átomos de vapor del metal alcalino pueden chocar con los átomos del gas noble de un modo tal que la polarización de los electrones de valencia es transferida al núcleo de gas noble por medio de un cambio mutuo de orientación del espín "intercambio-del-espín".

Convencionalmente, se han utilizado láseres para bombear ópticamente los metales alcalinos. Varios láseres emiten señales de luz en varias bandas de longitud de onda. Con el fin de mejorar el proceso de bombeo óptico de ciertos tipos de láseres (en particular los de emisiones de ancho de banda más amplio), la amplitud de la línea de absorción o resonancia del metal alcalino puede ampliarse para que corresponda más exactamente con el ancho de banda de la emisión del láser concreto seleccionado. Esta ampliación puede conseguirse mediante la ampliación de la presión, es decir, utilizando un gas de choque en la cámara de bombeo óptico. Las colisiones del vapor del metal alcalino con un gas de choque producirán una ampliación del ancho de banda de absorción del álcali.

Por ejemplo, es conocido que la cantidad de ^{129}Xe polarizado que puede producirse por unidad de tiempo es directamente proporcional a la potencia lumínica absorbida por el vapor de Rb. Así, polarizar ^{129}Xe en grandes cantidades generalmente requiere una gran cantidad de potencia de láser. Cuando se utiliza un conjunto de láseres diódicos, el ancho de banda de la línea de absorción natural del Rb es normalmente muchas veces más estrecho que el ancho de banda de emisión del láser. El rango de absorción del Rb puede aumentarse utilizando un gas de choque. Naturalmente, la selección de un gas de choque puede también tener un efecto involuntario en el intercambio-del-espín del gas noble Rb por la eventual introducción de una pérdida de momento angular del metal alcalino al gas de choque en vez de al gas noble como es deseable.

En cualquier caso, después de que se haya completado el intercambio-del-espín, el gas hiperpolarizado se separa del metal alcalino antes de su introducción en un paciente. Desgraciadamente, después de y durante la recogida, el gas hiperpolarizado puede deteriorarse o decaer relativamente muy pronto (pérdida de su estado hiperpolarizado) y por lo tanto debe ser manipulado, recogido, transportado y almacenado cuidadosamente. Así que la manipulación de los gases hiperpolarizados es crítica, debido a lo sensible del estado hiperpolarizado a los factores medioambientales y de manipulación y al eventual decaimiento involuntario del estado de hiperpolarización del gas.

Algunos sistemas de acumulación emplean acumuladores criogénicos para separar el gas de choque del gas polarizado y congelar el gas polarizado recogido. Desgraciadamente, la reducción de la polarización del gas puede ser problemática ya que, después de la descongelación final del gas congelado, el nivel de polarización del gas puede eventualmente reducirse de modo involuntario en una cuantía de un cierto orden de magnitud. Además, y de modo desventajoso, las temperaturas operativas extremadamente bajas del acumulador cerca de la fuente criogénica pueden a veces obstruir la zona de recogida del acumulador, decreciendo por lo tanto la velocidad de su ulterior recogida, o incluso impidiéndola.

Objetos y resumen de la invención

A la vista de lo anterior, es por lo tanto un objeto de la presente invención el proporcionar un método que minimice los efectos de la despolarización atribuidos al descongelado de un producto de gas polarizado congelado antes de su entrega a un usuario final.

Este objeto se consigue con las características de la reivindicación 1.

Preferiblemente, el paso de descongelación se realiza bajo presión de modo que una parte sustancial del gas noble congelado se licúa durante la descongelación del gas polarizado congelado. En una realización preferida, el recipiente incluye dos válvulas y, después de que el producto congelado es licuado, se abre al menos una de las válvulas para reducir la presión en el contenedor consiguiendo que el gas licuado rápidamente se convierta en gas. En este momento, el flujo de gas es preferiblemente dirigido a un paciente. Este paso es llevado a cabo normalmente recogiendo el gas en una bolsa u otro tipo de recipiente y suministrándolo al paciente. Este método descongela rápidamente el gas congelado y minimiza el tiempo que el gas polarizado tarda en la fase de transición lo cual puede mejorar los niveles de polarización que quedan después de la descongelación. Además, el método de descongelación instantánea puede reducir el tiempo de descongelación sobre los métodos convencionales a menos de 10 segundos para dosis de MRI a pacientes individuales. En una realización preferida, la mezcla de gas ^{129}Xe que se introduce en el polarizador incluye una cantidad mínima de ^{131}Xe para minimizar el decaimiento asociado con la atenuación de ^{131}Xe inducida del isótopo ^{129}Xe.

De modo ventajoso, tal método puede aumentar el nivel de polarización en el gas polarizado descongelado sobre los métodos de procesos convencionales. Sin duda, la presente invención puede doblar los niveles de polarización que quedan en las muestras de gas procesado por los métodos convencionales. Las técnicas convencionales de descongelación y acumulación reducían notablemente las polarizaciones por debajo de los valores previstos (normalmente a solo un 12,2% de sus niveles de polarización iniciales a 900 sccm, perdiendo el 87,8% de su polarización inicial). La presente invención puede mejorar sustancialmente la conservación de la polarización. Por ejemplo, los métodos mejorados de descongelación y acumulación pueden retener al menos el 30% o más (y preferiblemente un 40-50%) de la polarización post- descongelación a partir de los niveles iniciales de polarización precongelación ("la fracción de retención de polarización"). Además, la presente invención puede proporcionar niveles de polarización del 10% o más en el momento del suministro a un paciente o usuario final. Más aún, la presente invención puede recoger cantidades adicionales de gas polarizado en un período de tiempo mejorando la ruta de suministro y reduciendo el riesgo potencial de que el "dedo frío" quede bloqueado con gas congelado y otros riesgos durante la recogida.

Lo anterior y otros aspectos de la presente invención se explica en detalle a continuación

Breve descripción de las figuras

La Figura 1 es una ilustración esquemática de un aparato hiperpolarizador.

La Figura 2 es una vista en perspectiva lateral de un acumulador o "dedo frío" del aparato de la Figura 1 parcialmente inmerso en un refrigerante líquido.

La Figura 3 es una vista en sección transversal de un acumulador de la Figura 2.

La Figura 4 es una vista frontal del acumulador mostrado en la Figura 3.

La Figura 5 es una vista en sección transversal de una realización adicional de un acumulador.

La Figura 6 es una vista parcial en perspectiva del corte del acumulador mostrado en la Figura 3.

La Figura 7 es una vista parcial en perspectiva del corte del acumulador mostrado en la Figura 5.

La Figura 8 muestra el acumulador de la Figura 7 con calor aplicado durante un proceso de descongelación de acuerdo con la presente invención.

La Figura 9 es un diagrama de bloques que describe los pasos de un método para acumular gas polarizado de acuerdo con la presente invención.

La Figura 10 es un diagrama de bloques que describe los pasos de un método para descongelación de gas polarizado congelado de acuerdo con la presente invención.

La Figura 11 es un diagrama de bloques que describe los pasos de un método para alargar la vida útil de un gas polarizado de acuerdo con la presente invención.

La Figura 12A describe gráficamente los niveles de polarización después de la descongelación en relación con las tasas de acumulación de un gas polarizado que sea descongelado utilizando un método convencional de descongelación.

La Figura 12B describe gráficamente a modo de ejemplo los niveles de polarización después de la descongelación en relación con las tasas de acumulación de un gas polarizado que sea descongelado de acuerdo con la presente invención.

La Figura 13 describe gráficamente a modo de ejemplo los niveles de polarización del gas polarizado antes de su congelación y después de su descongelación de acuerdo con la presente invención.

La Figura 13A describe gráficamente a modo de ejemplo los niveles de polarización experimentales y los previstos del xenon polarizado correspondientes a la tasa de polarización con datos experimentales post-descongelación tomados cuando el xenon se procesa de acuerdo con la presente invención.

Descripción detallada de las realizaciones recomendadas

A continuación se describirá la presente invención con mayor detalle con referencia a las figuras adjuntas, en las cuales se muestran las realizaciones de la invención recomendadas.

Esta invención, no obstante, puede ser realizada en muchas formas diferentes y no debe interpretarse como limitada a las realizaciones expuestas aquí. Los números iguales se refieren a elementos iguales en todo el texto. Algunas capas y regiones pueden ser exageradas para mayor claridad. En la descripción de la presente invención que sigue, ciertos términos empleados se refieren a la relación posicional de ciertas estructuras en relación con otras estructuras. Tal como se utiliza aquí, el término "hacia delante" y los derivados del mismo se refieren a la dirección general en que la mezcla de gas se desplaza a medida que se mueve a través de la unidad hiperpolarizadora; este término quiere ser sinónimo del término "aguas abajo" que a menudo se utiliza en entornos industriales para indicar que cierto material sobre el que se actúa está más adelante que otro material a lo largo del proceso de fabricación. Por el contrario, los términos "hacia atrás" y "aguas arriba" y sus derivados se refieren a las direcciones opuestas, respectivamente, a las direcciones hacia-adelante y aguas-abajo. Asimismo, como se describe aquí, los gases polarizados son recogidos, congelados, descongelados, y utilizados en espectroscopia de MRI o en aplicaciones de MRI. Para una más fácil descripción, el término "gas polarizado congelado" significa que el gas polarizado ha sido congelado hasta un estado sólido. El término "gas polarizado líquido" significa que el gas polarizado ha sido o está siendo licuado hasta un estado líquido. Así, aunque cada frase incluye la palabra "gas", esta palabra se utiliza para denominar y seguir el rastro de modo descriptivo al gas que es producido a través de un hiperpolarizador para obtener un producto de "gas" polarizado. Por eso, tal como se utiliza aquí, el término gas se ha utilizado en ciertos sitios para indicar de modo descriptivo un producto de gas noble hiperpolarizado y puede utilizarse con calificativos tales como sólido, congelado, y líquido para describir el estado o fase de ese producto.

Se han utilizado varias técnicas para acumular y captar gases polarizados. Por ejemplo, la patente U.S. Núm. 5,642,625 para Cates y otros describe un hiperpolarizador de alto volumen para gas noble con espín polarizado y la solicitud de patente U.S. Núm. 08/622,865 para Cates y otros describe un acumulador criogénico para ^{129}Xe con espín polarizado. Tal como se utilizan aquí, los términos "hiperpolarizar", "polarizar", y similares, significan aumentar artificialmente la polarización del núcleo de ciertos gases nobles por encima de los niveles naturales o de equilibrio. Tal aumento es deseable porque permite señales de imagen más fuertes que corresponden a mejores imágenes de MRI de la sustancia y de una zona objetivo del cuerpo. Tal como es conocido por los especialistas en la materia, la hiperpolarización puede ser inducida mediante el intercambio-del-espín con un vapor de metal alcalino bombeado ópticamente o, alternativamente, mediante un intercambio de metaestabilidad. Ver la patente U.S. Núm. 5,545,396, Albert y otros.

Con referencia a los dibujos, la Figura 1 describe una unidad hiperpolarizadora recomendada 10. Esta unidad es una unidad de alto volumen que está configurada para producir y acumular gases nobles con espín polarizado de modo continuo, es decir, que el flujo de gas a través de la unidad es básicamente continuo. Tal como se muestra, la unidad 10 incluye un suministro 12 de gas noble y un regulador 14 del suministro. Un purificador 16 está colocado en la línea para eliminar impurezas tales como vapor de agua del sistema, como se analizará en detalle más adelante. La unidad hiperpolarizadora 10 incluye también un medidor de flujo 18 y una válvula de entrada 20 colocada aguas arriba del elemento polarizador 22. Una fuente de luz óptica tal como un láser 26 (preferiblemente un grupo de láseres diódicos) es dirigida hacia el elemento polarizador 22 a través de varios medios 24 de enfoque y de distribución de la luz, tales como lentes, espejos, y similares. La fuente de luz es polarizada circularmente para bombear ópticamente los metales alcalinos al elemento 22. Una válvula adicional 28 está colocada aguas abajo del elemento polarizador 22.

A continuación en la línea, tal como se muestra en la Figura 1, está un "dedo frío" o acumulador 30. El acumulador 30 está conectado a la unidad hiperpolarizadora 10 con un par de mecanismos desconectables tales como piezas roscadas o dispositivos de desconexión rápida 31, 32. Esto permite que el acumulador sea fácilmente desconectado, desmontado, o añadido a y del sistema 10. El acumulador 30 puede funcionar conectado con una fuente de frío o con unos medios de refrigeración 42. Preferiblemente, y tal como se muestra, la fuente de frío 42 es un baño refrigerante líquido 43. El acumulador se analizará con mayor detalle a continuación.

Una bomba de vacío 60 está en comunicación con el sistema. Se muestran en varios puntos unas válvulas adicionales para controlar el flujo y dirigir el gas de salida (indicadas como 52, 55). Se coloca una válvula de cierre 47 junto a un grifo de salida del gas 50 "a bordo". Algunas determinadas válvulas aguas abajo del acumulador 30 se utilizan para descongelación "a bordo" y suministro del gas polarizado recogido, según se describirá más adelante. El sistema también incluye un transductor 54 digital de presión y un medio 57 de control del flujo junto con una válvula de cierre 58. La válvula de cierre 58 controla preferiblemente el flujo de gas a través de todo el sistema o unidad 10; se utiliza para abrir o cerrar el flujo de gas, según se describirá más adelante. Como comprenderán los especialistas en la materia, pueden utilizarse otros mecanismos y dispositivos (analógicos y electrónicos) de control del flujo dentro del ámbito de la presente invención.

En funcionamiento, una mezcla de gas es introducida en el sistema en la fuente de gas 12. Como se muestra en la Figure 1, la fuente 12 es un tanque de gas presurizado que contiene una mezcla de gas pre-mezclada. La mezcla de gas incluye una mezcla pobre de gas noble y de gas de choque (el gas a ser hiperpolarizado está presente en una cantidad relativamente pequeña en la mezcla de gas premezclada). Se recomienda que, para producir ^{129}Xe hiperpolarizado, la mezcla de gas premezclado sea de un 95-98% de He, un 5% o menos de ^{129}Xe, y un 1% de N_{2}.

También se recomienda que la mezcla de gas premezclado comprenda una cantidad mínima del isótopo xenon -131 (o 131 Xenon) (reducida a partir de sus niveles naturales). En la naturaleza, la abundancia normal del isótopo de Xenon es como sigue:

TABLA I

Isótopo	Abundancia	Espín Nuclear
^{124}Xe	0,1%	0
^{126}Xe	0,09%	0
^{128}Xe	1,91%	0
^{129}Xe	26,4%	1/2
^{130}Xe	4,1%	0
^{131}Xe	1,2%	3/2
^{132}Xe	26,9%	0
^{134}Xe	10,4%	0
^{136}Xe	8,9%	0

Se utilizan mezclas "enriquecidas" de ^{129}Xe para proporcionar cantidades suficientes del gas ^{129}Xe a la mezcla hiperpolarizada. Tal como se utiliza aquí, el término "enriquecido" significa un aumento de la abundancia de ^{129}Xe sobre su nivel natural de abundancia. Sin embargo, el ^{129}Xe enriquecido normalmente incluye también otros isótopos de Xenon. Desgraciadamente, al menos un isótopo en particular ^{-131}Xe puede reaccionar con el ^{129}Xe congelado (en especial a bajas temperaturas tales como 4,2ºK) de un modo que puede ser causa de que el ^{129}Xe se despolarice. A bajas temperaturas, el ^{131}Xe actúa como un "colector-de-espín" para absorber o atenuar la polarización del ^{129}Xe y convertirse en un mecanismo de eliminación potencialmente dominante en los límites del grano de cristal del gas polarizado de ^{129}Xe "sólido" congelado.

Como se muestra en la Tabla I anterior, el ^{131}Xe es un isótopo con un espín nuclear superior a 1/2. Como tal, tiene un "momento cuádruple" lo cual significa que el ^{131}Xe es capaz de eliminación por interacción con los gradientes del campo eléctrico. Ver Extraordinarily slow nuclear spin relation in frozen laser-polarized ^{129}Xe, Phys. Rev. Lett. 70, pp. 690-693 (1993), de Gatzke y otros.

Ha sido sugerido que a 4,2ºK, el mecanismo de eliminación dominante de la fase sólida es la "eliminación-cruzada" entre los isótopos ^{129}Xe y ^{131}Xe en los límites del grano de cristal. Además, cuando el gas ^{129}Xe "sólido" o "congelado" toma una forma similar a una escama (como un copo de nieve) la forma tiene una superficie relativamente grande. Desgraciadamente, esta superficie relativamente grande puede también permitir mayores interacciones de despolarización con el ^{131}Xe. Se cree que el mayor o "más-eficiente" intercambio está en los límites del grano de cristal porque ahí es donde normalmente son más fuertes los campos eléctricos. Esta fortaleza del campo eléctrico puede entonces permitir que la energía de cambio de orientación del espín nuclear del ^{131}Xe llegue a ser casi la misma que la energía de cambio de orientación del espín nuclear del ^{129}Xe.

A continuación se dan algunos ejemplos de mezclas enriquecidas de ^{129}Xe con un reducido contenido del isótopo de ^{131}Xe:

Ejemplo 1

82,3% Mezcla Enriquecida de Gas ^{129}Xe

Isótopo	Abundancia	Espín Nuclear
^{124}Xe	0,47%	0
^{126}Xe	0,43%	0
^{128}Xe	8,41%	0
^{129}Xe	82,3%	1/2
^{130}Xe	4,52%	0
^{131}Xe	3,45%	3/2
^{132}Xe	0,36%	0
^{134}Xe	0,01%	0
^{136}Xe	0,01%	0

Ejemplo 2

Mezcla Enriquecida de Gas ^{129}Xe al 47,2%

Isótopo	Abundancia	Espín Nuclear
^{124}Xe	0,14%	0
^{126}Xe	0,28%	0
^{128}Xe	52,0%	0
^{129}Xe	47,2%	0
^{130}Xe	0,22%	3/2
^{131}Xe	0,09%	0
^{132}Xe	0,03%	0
^{134}Xe	0,2%	0
^{136}Xe	0,2%	0

En una realización preferida, cuando el ^{129}Xe polarizado recogido esté expuesto a bajas temperaturas y congelado, la mezcla enriquecida de gas ^{129}Xe preferiblemente incluirá menos de un 3,5% de ^{131}Xe, y más preferiblemente menos de un 0,1% de ^{131}Xe.

En cualquier caso, la mezcla de gas "enriquecido" se pasa a través del purificador 16 y se introduce en el elemento polarizador 22. Las válvulas 20, 28 son válvulas de todo/nada accionables en combinación con el elemento polarizador 22. El regulador de gas 14 preferiblemente baja la presión escalonadamente desde la fuente del tanque de gas 12 (normalmente funcionando a 13780,2 kPa (2000 lb/pulgada^{2} o 136 atm)) hasta unas 608-1013,25 kPa (6-10 atm) en el sistema. Así, durante la acumulación, todo el colector (conducto, elemento polarizador, acumulador, etc.) está presurizado a la presión del elemento (unas 608-1013,25 kPa (6-10 atm)). El flujo en la unidad 10 es activado abriendo la válvula 58 y es controlado ajustando el dispositivo de control de flujo 57.

El tiempo normal de permanencia del gas en el elemento 22 es de unos 10-30 segundos; es decir, que la mezcla de gas tarda del orden de 10-30 segundos en ser hiperpolarizada mientras se mueve a través del elemento 22. La mezcla de gas preferiblemente se introduce en el elemento 22 a una presión de unas 608-1013,25 kPa (6-10 atm). Naturalmente, con equipos capaces de funcionar a más altas presiones, presiones operativas superiores a 1013,25 kPa (10 atm), tales como unas 2026,5-3039,75 kPa (20-30 atm) son preferibles para ensanchar a presión el Rb y absorber hasta el 100% de la luz óptica. En contraste, para anchos de línea de radiación láser inferiores a los anchos convencionales, pueden emplearse presiones más bajas. El elemento polarizador 22 es un elemento de bombeo óptico a alta presión alojado en una cámara caliente con aberturas configuradas para permitir la entrada de la luz emitida por el láser. Preferiblemente, la unidad hiperpolarizadora 10 hiperpolariza un gas noble seleccionado tal como el ^{129}Xe (o el ^{3}He) por medio de un proceso convencional de intercambio-del espín. Un metal alcalino vaporizado tal como el rubidio ("Rb") es introducido en el elemento polarizador 22. El vapor de Rb es bombeado ópticamente por medio de una fuente de luz óptica 26, preferiblemente un láser diódico.

La unidad 10 emplea gas de choque helio para ensanchar a presión el ancho de banda de absorción del vapor del Rb. La selección de un gas de choque es importante porque el gas de choque -al tiempo que ensancha el ancho de banda de absorción- puede también sin desearlo afectar el intercambio-del-espín entre el gas noble y el metal alcalino mediante la eventual introducción de una pérdida de momento angular del metal alcalino al gas de choque en vez de al gas noble como se desea. En una realización preferida, el ^{129}Xe es hiperpolarizado por medio de intercambio-del-espín con el vapor de Rb bombeado ópticamente. Se recomienda también que la unidad 10 utilice un gas de choque Helio con una presión muchas veces mayor que la presión del ^{129}Xe para un ensanchamiento a presión de un modo tal que se minimice la destrucción del espín de Rb.

Como será apreciado por los especialistas en la materia, el Rb reacciona con el H_{2}O. Por lo tanto, cualquier agua o vapor de agua introducida en el elemento polarizador 22 puede ser causa de que el Rb pierda absorción del láser y decrezca la cuantía o rendimiento del intercambio-del-espín en el elemento polarizador 22. Por lo tanto, como una precaución adicional, puede colocarse un filtro o un purificador extra (no mostrado) antes de la entrada del elemento polarizador 22 con una superficie extra para eliminar incluso cantidades adicionales de esta indeseable impureza con el fin de aumentar aún más el rendimiento del polarizador.

El gas hiperpolarizado, junto con la mezcla de gas de choque, sale del elemento polarizador 22 y entra en el acumulador 30. Refiriéndonos ahora a las Figuras 3-7, el gas polarizado y el gas de choque son dirigidos hacia abajo por una ruta de flujo primario 80 hasta el interior de un depósito de recogida 75 situado en la parte baja del acumulador 30. En funcionamiento, en la parte inferior del acumulador 30a, el gas hiperpolarizado se expone a temperaturas por debajo de su punto de congelación y es recogido como un producto congelado 100 en el depósito 75. El resto de la mezcla de gas permanece gaseoso y sale de la ruta de flujo primario 80 y del depósito 75 por contraflujo en una ruta de salida 90 diferente de la ruta de flujo primario 75 de forma que es dirigido hacia fuera del acumulador 30. El acumulador 30 se analizará con mayor detalle abajo. El gas hiperpolarizado es recogido (así como almacenado, transportado, y preferiblemente descongelado) en la presencia de un campo magnético, generalmente del orden de al menos 500 Gauss, y normalmente de unos 2 kilo Gauss, aunque pueden utilizarse campos más elevados. Campos inferiores pueden potencialmente y de modo no deseado aumentar la tasa de atenuación o reducir el tiempo de atenuación del gas polarizado. Como se muestra en la Figura 2, el campo magnético está producido por imanes magnéticos 40 situados en un yugo magnético 41.

La unidad polarizadora 10 puede también utilizar el cambio de temperatura en la línea de salida entre el elemento de bombeo caliente 22 y el colector frío refrigerado o acumulador 30 para precipitar el metal alcalino de la corriente de gas polarizado en el conducto sobre el acumulador 30. Como será apreciado por los especialistas en la materia, el metal alcalino puede precipitarse fuera de la corriente de gas a temperaturas de unos 40ºC. La unidad puede también incluir un condensador de reflujo del metal alcalino (no mostrado). Preferiblemente, el condensador de reflujo emplea un tubo vertical de salida del reflujo, que es mantenido a temperatura ambiente. La velocidad del flujo de gas a través del tubo de reflujo y el diámetro del tubo de salida del reflujo son tales que el vapor del metal alcalino se condensa y gotea volviendo otra vez al elemento de bombeo por gravedad. En cualquier caso, es deseable eliminar el metal alcalino de forma que el producto no sea tóxico y cumpla con las normas reglamentarias (por ejemplo al menos hasta un nivel de o inferior a 10 ppb) antes del suministro de gas polarizado a un paciente.

Opcionalmente, también puede colocarse un colector frío intermedio entre la salida del elemento polarizador 22 y el "dedo frío" 30. La temperatura del colector frío intermedio (no mostrado) se diseñará preferiblemente para extraer cualquier metal alcalino (por ej. Rb) mientras se deja que el gas noble y el gas o gases portadores puedan llegar hasta el dedo frío 30. Esto puede ser importante para aplicaciones en vivo donde es importante eliminar el Rb del gas hiperpolarizado (es decir, eliminar el Rb hasta un nivel tal que no queden más que trazas tales como del orden de una ppb o menos en el gas hiperpolarizado cuando se suministre a un paciente).

Una vez que una cantidad deseada de gas hiperpolarizado se ha recogido en el acumulador 30, el acumulador puede desconectarse o aislarse del sistema. En una realización preferida, se cierra la válvula 28, dejando presurizado el elemento 22. Esto permite que el acumulador 30 y la tubería aguas abajo comiencen a despresurizarse porque se abre la válvula del flujo 58. Preferiblemente, se permite que la unidad 10 aguas abajo de la válvula 28 se despresurice hasta unas 1,5 atm antes de que se cierre la válvula del flujo 58. Después de cerrar la válvula del flujo 58, la válvula 55 puede abrirse para evacuar el gas que quede en el colector de tuberías. Una vez que se ha evacuado la tubería de salida, se cierran las válvulas 35 y 37. Si el gas recogido tiene que distribuirse "a bordo", es decir, sin desmontar el acumulador 30 de la unidad 10, puede acoplarse un receptáculo tal como una bolsa u otro recipiente a la salida 50. Puede abrirse la válvula 47 para evacuar la bolsa acoplada (no mostrada). Una vez evacuada la bolsa y estando el gas listo para su descongelación, la válvula 52 puede cerrarse opcionalmente. Esto minimiza el contacto del gas polarizado con la región 59 del transductor de presión de la unidad 10. Esta región normalmente incluye materiales que tienen un efecto despolarizador sobre el gas polarizado. En consecuencia, unos prolongados tiempos de contacto con esta región pueden fomentar la atenuación del gas polarizado

Si la válvula 52 no está cerrada, entonces la válvula 55 debe estar preferiblemente cerrada para evitar la evacuación de los gases polarizados descongelados. También es recomendable que los canales del flujo en el lado aguas abajo del elemento 22 estén formados con materiales que minimicen el efecto de deterioro del estado polarizado del gas. También pueden utilizarse revestimientos tales como los descritos en la patente U.S. Núm. 5,612,103. En la operación de descongelación "a bordo", se abre la válvula 37 para permitir la salida del gas. A continuación pasa a través de la válvula 47 y sale por la salida 50.

En el modo de descongelación "desconectado" o "acumulador trasladado", las válvulas de seccionamiento del acumulador primera y segunda 35, 37 están cerradas después de la despresurización y evacuación del acumulador 30. La evacuación del acumulador 30 permite que cualquier gas residual en el acumulador sea eliminado. El dejar gas residual en el acumulador 30 con el gas polarizado congelado puede contribuir a la carga de calor sobre el gas congelado, elevando posiblemente la temperatura del gas congelado y potencialmente acortando el tiempo de atenuación. Por lo tanto, en una realización preferida, después de despresurizar y evacuar el acumulador y cerrar las válvulas de seccionamiento 35, 37, el acumulador 30 es desconectado de la unidad 10 por medio de los puntos de desconexión

\hbox{31, 32.}

También es preferible que el acumulador incluya juntas tóricas en ranuras (Figura 2, 220) para ayudar a sellar las conexiones rápidas (u otros medios de conexión) a las líneas del conducto en el sistema. Este tipo de juntas tóricas/mecanismos de sellado de ranuras puede ayudar a garantizar la integridad de los obturadores incluso a las elevadas presiones operativas (es decir, 608-1013,25 kPa (6-10 atm) y mayores) de la unidad. De modo similar, si se utilizan CHEM-THREADSTM (fabricados por ChemGlass, Inc. Víneland, NJ) o medios similares de conexión, es preferible que éstos estén configurados para resistir presiones consistentes con las presiones operativas del sistema.

Las válvulas de seccionamiento 35, 37 están en comunicación con el canal principal 80 y con el canal 90 de salida del gas de choque respectivamente y cada una de ellas puede regular la cantidad de flujo a través de los mismos así como cerrar las rutas respectivas para aislar el acumulador del sistema 10 y del entorno. Después de que el acumulador 30 relleno haya sido retirado, otro acumulador puede conectarse fácilmente y en tiempo relativamente rápido a los puntos de desconexión 31, 32. Preferiblemente, cuando se conecte el nuevo acumulador 30, se evacua el colector de salida utilizando la válvula 55 (con las válvulas 52, 35, 37 abiertas). Cuando se consigue un vacío adecuado (tal como unos 13,3 Pa (100 miliTorr)) lo cual normalmente ocurre al cabo de un minuto o algo así, se cierra la válvula 55. Entonces se reabre la válvula 28 lo cual represuriza el colector de salida a la presión operativa del elemento 22. Entonces se abre la válvula 58 para reanudar el flujo en la unidad 10. Preferiblemente, una vez reanudado el flujo, se aplica nitrógeno líquido al acumulador 30 para continuar la recogida del gas hiperpolarizado. Normalmente en tal conmutación se tardan del orden de unos cinco minutos o menos. Así, se configura una unidad hiperpolarizadora 10 preferible para proporcionar un flujo continuo de gas ^{129}Xe hiperpolarizado para la producción continua y acumulación del mismo.

Volviendo ahora a la Figura 2, se muestra un conjunto 230 de acumulador y yugo de imanes. El acumulador 30 está soportado por una plataforma de soporte 210 colocada sobre el baño criogénico 43. Un par de placas 215 se extienden longitudinalmente desde la plataforma de soporte 210 y se conectan al yugo de imanes 41. El yugo de imanes 41 está situado junto a y en estrecha proximidad al depósito de recogida 75 del acumulador 30 para proporcionar el deseado campo magnético al gas polarizado recogido. Como se muestra, el acumulador 30 incluye una pieza 211 de contacto del soporte, que está configurada para descansar sobre la plataforma de soporte 210.

El acumulador

Las Figuras 3 y 4 muestran una realización de un acumulador 30. Como se muestra, el acumulador 30 incluye una ruta central del flujo primario 80, una ruta del flujo secundario 95, y un canal 90 de salida del gas de choque. La ruta del flujo secundario o canal 95 está situada entre el canal 80 de la ruta del flujo primario y el canal 90 de salida del gas de choque. En una realización preferida, el acumulador 30 incluye una boquilla 110 en el extremo inferior de la ruta del flujo primario. La boquilla 110 puede ayudar a mejorar la localización del gas hiperpolarizado ya que impacta contra las superficies frías del depósito 75. La boquilla 110 puede también permitir una expansión Joule-Thompson del enfriamiento de la corriente de gas hasta bien por debajo del punto de congelación del gas hiperpolarizado, minimizando de modo ventajoso la carga de calor sobre el gas hiperpolarizado recogido y estacionario y, con ello, alargando potencialmente su tiempo de atenuación. En cualquier caso, el acumulador 30 estará preferiblemente inmerso en el baño criogénico 43 de forma que el depósito 75 y unos 7,62-15,54 cm (3-6 pulgadas) del tubo queden sumergidos. Si se sumerge en nitrógeno líquido, la pared exterior de la camisa externa 103 y la pared exterior del depósito 75 estarán a unos 77ºK. El punto de congelación del Xenon es aproximadamente 160ºK. Así, a su salida de la ruta 80 del flujo primario, el gas hiperpolarizado golpea la superficie fría y se congela dentro del depósito 75 mientras los gases de choque salen del acumulador por el canal de salida 90. El depósito puede incluir un revestimiento superficial para ayudar a evitar la atenuación producida por el contacto del gas polarizado con el mismo. Ver la patente U.S. Núm. 5.612.103, "Revestimientos Perfeccionados para la Producción de Gases Nobles Hiperpolarizados". Alternativamente, el recipiente puede estar formado con o incluir otros materiales tales como películas metálicas no-magnéticas de alta pureza. Ver la solicitud de patente pendiente y coasignada Núm. de Serie 09/126,448, titulada Recipientes para Gases Hiperpolarizados y Métodos Asociados.

Tal como se muestra en la Figura 4, la ruta 95 del flujo secundario tiene una entrada y una salida 125, 126, respectivamente, situadas con una separación de unos 180º en la parte superior del acumulador 30. Naturalmente, como será apreciado por los especialistas en la materia, pueden también emplearse disposiciones alternativas de la entrada y la salida 125, 126 de la ruta del flujo secundario. Preferiblemente, la entrada y la salida 125, 126 estarán configuradas para que estén por encima del baño criogénico 43 o de otro medio de refrigeración cuando el acumulador 30 se ensamble a los mismos. Excepto en cuanto a sus respectivas puertas de entrada y de salida 125, 126, la ruta 95 del flujo secundario es cerrada e independiente de la ruta 80 del flujo primario y de la ruta 90 del gas de salida. Como tal, la ruta 95 del flujo secundario incluye un extremo cerrado sellado 96.

En funcionamiento, como se muestra en la Figura 6, la ruta 95 del flujo secundario proporciona calor a una región del acumulador 30. Preferiblemente, la ruta del flujo secundario define una camisa de calefacción 93. La camisa de calefacción 93 está configurada para proporcionar una corriente caliente contenida de un fluido, preferiblemente un gas, alrededor de la ruta 80 del flujo primario. Más preferiblemente, la camisa 93 de calefacción dirige nitrógeno caliente o temperatura ambiente hacia abajo de la ruta del flujo secundario a una zona adyacente al depósito 75. En una realización preferida, el gas de calefacción en la camisa de calefacción 93 es dirigido a la zona de la boquilla 110 de la ruta 80 del flujo primario a través de la ruta 95 del flujo secundario. Se aprovecha la ventaja de que tal gas de calefacción puede compensar la indeseable tendencia de esta área de la ruta del flujo primario a congelarse y obstruirse debido a los gases congelados retenidos en la ruta 80 del flujo. Además también de modo ventajoso, esta configuración puede asimismo minimizar cualquier carga de calor asociada que sea dirigida hacia el depósito 75 y sobre el gas polarizado congelado recogido. El problema de obstrucción puede ser particularmente engorroso en acumuladores con ciertos diseños de boquillas, ya que incluso pequeñas cantidades acumuladas en la reducida zona de salida de la boquilla 110 pueden bloquear la ruta 80 del flujo primario y disminuir e incluso llegar a impedir la recogida de gas polarizado. "Calefacción", tal como se utiliza aquí, puede ser la aplicación de calor a cualquier temperatura por encima del punto de congelación del gas polarizado seleccionado, es decir por encima de 160ºK para el ^{129}Xe.

Dicho en general, el tiempo de atenuación del gas polarizado sólido (especialmente del ^{129}Xe) depende en gran medida de la temperatura del gas congelado. Dicho de otra forma, cuanto más baja sea la temperatura del gas congelado, tanto más largo será el tiempo de atenuación. Así, es importante minimizar la carga de calor sobre el gas congelado acumulado. La carga de calor presente en la corriente de gas dirigida hacia debajo de la ruta 80 del flujo primario hay que atribuirla en gran medida a la necesidad de enfriar el gas de choque desde la temperatura ambiente hasta la temperatura criogénica (tal como se describe aquí nitrógeno líquido (LN_{2}) o 77ºK. Esta carga de calor se estima que es del orden de 2W. Así, para minimizar la carga de calor sobre el ^{129}Xe polarizado acumulado, es deseable enfriar la corriente de gas hasta cerca de (pero por encima de) la temperatura de congelación del gas polarizado antes del punto de salida de la boquilla 110. Para el ^{129}Xe, el gas de choque es preferiblemente enfriado hasta justo por encima de 160ºK, por debajo de cuya temperatura el Xe puede potencialmente congelarse en la boquilla produciendo una obstrucción o bloqueo. De modo ventajoso, el enfriamiento del gas de salida hasta 160ºK puede reducir la carga de calor sobre el gas polarizado congelado hasta en un 50%. La configuración permite que este canal de salida pueda enfriarse de este modo por medio del contraflujo del gas de choque. De modo ventajoso, este contraflujo de enfriamiento no expone excesivamente la boquilla 110 a bajas temperaturas porque la boquilla 110 o la zona más susceptible de la ruta 80 del flujo está separada del canal de salida por la camisa de calefacción o canal 95 del flujo secundario.

Refiriéndonos de nuevo a la Figura 4, tal como se muestra, la ruta 80 del flujo primario está definida por la forma de la pared interior 93a de la camisa de calefacción 93. Preferiblemente, la pared interior 93a se extiende circunferencialmente alrededor de una abertura para definir la ruta 80 del flujo primario. De modo similar, la pared exterior 93b de la camisa de calefacción 93 junto con el manguito exterior 103 del acumulador 30 define la ruta 90 de salida del gas de choque. Como se muestra en la Figura 6, en una realización preferida, la pared interior 93a, la pared exterior 93b y el manguito exterior 103 estás alineados radialmente. La pared interior de la camisa de calefacción 93 incluye una parte escalonada 193 con un diámetro menor que el diámetro de la sección precedente de la pared interior. Esta parte escalonada está configurada para facilitar la boquilla 110 en la ruta 80 del flujo primario.

Las Figuras 5 y 7 describen una realización preferida de un acumulador 30'. Como se muestra en esta realización, la camisa de calefacción 93 incluye al menos un conducto 145 alargado que se extiende a lo largo de la mayor parte de la ruta 95 del flujo secundario. Como el conducto 145 está expuesto a temperaturas criogénicas, deberá estar hecho con materiales adecuados considerablemente no-despolarizadores y compatibles, tales como PTFE y similares. Los materiales adecuados incluyen materiales que tienen resistencia a las bajas temperaturas. Un ejemplo de una marca de un tal material es TEFLON™ o superficies revestidas con películas metálicas. El conducto 145 dirige el gas de calentamiento hacia abajo hasta la parte inferior de la ruta 80 del flujo primario, y más preferentemente dirige el gas de calentamiento a la zona de la boquilla 110 del canal del flujo primario por encima del depósito 75. Como tal, el extremo inferior 145a del conducto está preferiblemente situado adyacente a la boquilla 110. Una vez descargado, el gas de calentamiento se desplaza hacia arriba por la ruta 95 del flujo secundario que se extiende circunferencialmente y sale por la salida de aireación 126. Este gas de calentamiento puede contrarrestar el efecto frío/de obstrucción que tiene el contraflujo del gas frío de choque en la ruta del flujo primario en la región susceptible de obstruirse según se ha analizado arriba. Naturalmente, pueden emplearse otros (no mostrados) conductos, entradas, y aireaciones de la camisa de calefacción dentro del ámbito de la invención.

Ejemplos de diámetros adecuados de la ruta 80 del flujo primario, de la ruta 95 del flujo secundario, y del canal 90 de salida del gas de choque son 6,35, 12,7, y 19,05 mm (0,25, 0,50, y 0,75 pulgadas), respectivamente. En una realización, la boquilla 110 se extiende a lo largo de la ruta del flujo primario unos 25,4 mm (1,0 pulgadas). Preferiblemente, el acumulador 30 está hecho con cristal tal como PYREX™ y está configurado para resistir unas 608-1013,25 kPa (6-10 atm) o más de presión.

En funcionamiento, se recomienda que, durante la acumulación de gas hiperpolarizado congelado, el gas de calentamiento se introduzca en el canal secundario a un ritmo de unos 7,8658-47,2 ml/s (1-6 pies3/hora), más preferiblemente al ritmo de unos 15,732-39,329 ml/s (2-5 pies3/hora), y aún más preferiblemente a un ritmo de unos 23,597 ml/s (3 pies3/hora). Preferiblemente, durante la recogida, el acumulador 30 funciona a la misma presión que el elemento de bombeo óptico.

Como se ha analizado antes, el gas de calentamiento recomendado es un N_{2} seco a temperatura ambiente (el N_{2} tiene aproximadamente dos veces la capacidad calorífica que el Helio), pero la invención no se limita a eso. A título de ejemplo, las temperaturas recomendadas del gas de calentamiento son entre unos 10-26,7ºC (50º- 80ºF), y más preferiblemente entre unos 20-25,6ºC (68º-78ºF). En una realización preferida, se fija un correspondiente caudal de "gas de calentamiento" a un nivel mínimo correspondiente a una temperatura predeterminada del gas de calentamiento; es decir, se fija el caudal mínimo para una cierta temperatura por debajo de la cual ocurre una obstrucción, pudiéndose denominar este caudal mínimo el "caudal crítico". Si se utilizan temperaturas más altas, normalmente se necesitarán caudales inferiores. Ejemplos de otros gases de calentamiento incluyen, pero sin limitaciones, el Helio, el aire seco, y similares. Preferiblemente, si se utilizan gases de "calentamiento" a temperaturas más altas se utilizará un caudal inferior. En contraste, si se utilizan gases a temperaturas más bajas entonces se utilizará un caudal correspondiente más alto.

De modo ventajoso, la presente invención puede recoger un 80-100% del gas polarizado en la corriente de gas. Además, la presente invención puede producir un gas polarizado con una vida útil más larga. Esto se atribuye a las técnicas perfeccionadas de recogida y/o descongelación que pueden producir un gas polarizado que retiene más altos niveles de polarización en comparación con las técnicas convencionales tal como se analizará con detalle más adelante.

Descongelación

Como se ha hecho observar arriba, puede emplearse una disposición compacta de imanes permanentes colocados alrededor del gas hiperpolarizado. Desgraciadamente, el campo magnético proporcionado por tal disposición puede ser algo falto de homogeneidad. A medida que el gas es descongelado, esta falta de homogeneidad puede despolarizar el gas hiperpolarizado de modo relativamente rápido. El ^{129}Xe recién descongelado es particularmente susceptible al decaimiento inducido por la falta de homogeneidad ("pérdida de polarización"). Por ejemplo, la atenuación del ^{129}Xe gaseoso es particularmente engorrosa ya que se difunde a través de campos faltos de homogeneidad. Esta atenuación generalmente crece linealmente con el valor inverso de la presión del gas. Eso es, a bajas presiones del gas, lo cual sucede al comienzo del proceso de descongelación, el efecto de atenuación inducida por la falta de homogeneidad (gradientes de campo) es el más fuerte. (Se ha medido la atenuación del ^{129}Xe a 101,325 kPa (1 atm) de presión del gas a solamente 22 segundos). La invención ultrarrápida resuelve este problema cerrando las válvulas de seccionamiento 35, 37 en el acumulador 30 durante el inicio de la descongelación. A medida que el gas se descongela, la presión aumenta rápidamente, sobrepasando rápidamente 1 atm y aumentando aún más. A medida que la presión sube, el ^{129}Xe sólido que queda se convierte en líquido en vez de en gaseoso. El ^{129}Xe líquido es relativamente insensible a los gradientes del campo magnético, a la atenuación por falta de homogeneidad, a los efectos de la temperatura, y a las fuerzas del campo magnético, haciendo de él por lo tanto una de las más robustas formas de ^{129}Xe hiperpolarizado. El ^{129}Xe líquido tiene normalmente un tiempo de atenuación de 20-30 minutos. Ver Laser Polarized Liquid Xenon, Appl. Phys. Lett por Sauer y otros, (Aceptada en 1997). El estado líquido además ayuda a distribuir rápidamente el calor al restante ^{129}Xe sólido, acelerándose así aún más la descongelación.

En una realización preferida, la camisa de calefacción 93 puede también mejorar el proceso de descongelación del gas polarizado congelado. La presente invención reconoce que es importante transformar rápidamente el gas polarizado congelado hasta su estado líquido ya que tanto el estado sólido como el estado gaseoso del Xenon son extremadamente sensibles a la despolarización durante la transición. Por ejemplo, a medida que el ^{129}Xe sólido o congelado se calienta hasta cerca de su punto de fusión, el tiempo de atenuación se reduce extraordinariamente desde 3 horas a 77ºK hasta sólo unos pocos segundos cerca del punto de cambio de fase. Además, la atenuación gaseosa a temperaturas justo por encima de la temperatura de sublimación del ^{129}Xe es rápida, con una dependencia exponencial de la temperatura. Por ejemplo, el tiempo de atenuación del ^{129}Xe gaseoso sobre una superficie dada a 160ºK es de solo el 3% del que tiene a 300ºK sobre la misma superficie. Además, durante los primeros momentos de la descongelación cuando la presión del gas Xe es baja, el ^{129}Xe gaseoso es más susceptible a los problemas de falta de homogeneidad analizados antes.

Convencionalmente, se ha suministrado calor al exterior del acumulador durante la descongelación. A medida que el gas hiperpolarizado congelado empezaba a descongelarse se congelaría de nuevo, como en el punto de salida de la ruta 80 del flujo primario. Esto podría ser causa de que el ^{129}Xe se congelase y descongelase más de una vez durante el proceso de descongelación, así como causar que el gas polarizado tarde más tiempo en torno a la fase de cambio sensible donde la atenuación es más rápida.

De modo ventajoso, la camisa 93 de calefacción del acumulador 30, 30' descrita arriba puede además mejorar el proceso de descongelación. Volviendo a la Figura 8, la camisa de calefacción o el canal 95 del flujo secundario del acumulador pueden suministrar calor a la zona de la boquilla 110 del acumulador 30 durante el proceso de descongelación. Preferiblemente la zona inferior de la ruta del flujo o la zona de la boquilla se precalienta antes de la descongelación de forma que la boquilla 110 esté bien por encima del punto de congelación del gas polarizado antes de aplicar calor a la superficie exterior del depósito 75. Se recomienda adicionalmente que, durante la descongelación, se suministre calor tanto al exterior como al interior del dedo frío, siendo la calefacción interior aplicada preferentemente a la región inferior del acumulador, es decir, a la zona de la boquilla. La boquilla 110 se calienta así por el fluido de circulación (preferiblemente gas) por el interior de la camisa de calefacción 93. Pueden utilizarse diversos gases de calentamiento tales como los descritos arriba. Preferiblemente, el caudal del gas de calentamiento es mayor que el utilizado durante el proceso de acumulación, tal como unos 39,329-94,39 ml/s (5-12 pies3/hora), y más preferiblemente de unos 78,658 ml/s (10 pies3/hora) durante la descongelación. De modo similar, las temperaturas recomendadas del gas de "calentamiento" suministrado durante la descongelación son normalmente las de condiciones ambientales controladas internamente (por ejemplo gases a temperaturas ambientales como 20-25,6ºC (68-78ºF)).

Para el caso de un acumulador 30 "trasladado", una vez que todo el ^{129}Xe está licuado, se recomienda abrir la válvula de seccionamiento 35 que conduce a una cámara o bolsa u otro medio de descarga o recipiente de recogida conectado a la evacuación. Naturalmente puede abrirse alternativamente una de las válvulas 35, 37 dependiendo de donde esté conectado el recipiente o receptáculo de descarga (no mostrado). Para el caso de un acumulador "a bordo", la válvula de seccionamiento 37 es la válvula operativa según arriba descrito. El brusco descenso de la presión es causa de que el ^{129}Xe líquido se convierta en gaseoso y salga del acumulador 30 rápidamente, estando por lo tanto ventajosamente un tiempo mínimo en estado gaseoso dentro del campo magnético falto de homogeneidad. De modo similar, si se utiliza la desconexión "a bordo", se abre la válvula de seccionamiento 37 y el gas fluye a través de la válvula 47 y sale por la salida 50 hacia un recipiente de descarga. Los métodos convencionales de descongelación incluyen la apertura del dedo frío (acumulador) al recipiente a llenar y a continuación comenzar la descongelación. Esta descongelación podría tardar normalmente 30 segundos o más en completarse para cantidades de dosis individuales para pacientes. En comparación, y de modo ventajoso, el método de descongelación ultrarrápida puede completarse en menos de unos 10 segundos, y preferiblemente en menos de unos 5-6 segundos para cantidades de dosis individuales de gas hiperpolarizado congelado. Una dosis normal de paciente es de unos 0,20-1,25 litros ("L") y preferiblemente de unos 0,5-1,0 L. La conversión a peso es de unos 5,4 gramos/L de Xe. De modo similar, la densidad del Xe sólido es de unos 3,1 g/cm^{3}, y el correspondiente volumen de Xe congelado polarizado para un paciente puede calcularse en 1,8 cm^{3}/L.

Con efectos ventajosos, las observaciones del método de descongelación ultrarrápida indican que tiene un factor fiable de aproximadamente 2 o más de mejora en el nivel final de polarización de ^{129}Xe descongelado si se compara con el descongelado por métodos convencionales.

Refiriéndonos ahora a las Figuras 12A y 12B, la Figura 12A refleja los resultados de la polarización obtenida con una técnica convencional de descongelación mientras que la Figura 12B refleja gráficamente los resultados obtenidos por el método mejorado de descongelación de la presente invención según arriba descrito. Cada uno de los gráficos refleja el % de polarización del ^{129}Xe después de la descongelación en relación con el caudal total de gas a través del elemento 22 de polarización (y por lo tanto de la unidad completa). El correspondiente caudal de ^{129}Xe es el % de la mezcla total de gas. En el ejemplo mostrado, el ^{129}Xe supone un 1% de la mezcla total de gas, de forma que el caudal de ^{129}Xe es el caudal total dividido por 100. Por ejemplo, a un caudal de 1000 cm^{3} estándar/min (centímetros cúbicos estándar por minuto ("scan")), el ^{129}Xe es normalmente acumulado al ritmo de 10 cm^{3} por minuto o 600 cm^{3} por hora. Son deseables caudales mayores para incrementar el volumen global de ^{129}Xe. Sin embargo, la polarización se reduce a caudales mayores. Esto se atribuye al menor tiempo que el ^{129}Xe está en tiempo de permanencia en contacto de intercambio de espín con el Rb bombeado ópticamente a caudales mayores. Es decir, el tiempo de permanencia del Xe en el elemento 22 puede en general describirse matemáticamente como igual a la presión del gas multiplicada por el volumen del elemento 22 dividido por el caudal.

(PV/m)

La Figura 12A muestra los resultados de la polarización dispersa obtenida con la técnica de congelación convencional, cuyos resultados se atribuyen a las pérdidas de polarización aleatorias que tienen lugar principalmente durante la descongelación. La Figura 12B traza las características del bombeo óptico arriba descritas y ahora produce niveles predecibles de polarización post-descongelación correspondientes al ritmo de acumulación.

Como se muestra en la Figura 12B, cuando se descongela de acuerdo con el método perfeccionado arriba descrito (bajo presurización y con calentamiento interno y externo), con caudales inferiores a 1000 sccm (o cm^{3} estándar/min), se consiguen de modo fiable niveles de polarización después de la descongelación de más del 10%. Los resultados mostrados en esta figura representan un volumen de 190 cm^{3} de ^{129}Xe (y niveles de polarización del Rb de unos 0,25-0,49). Naturalmente, como será apreciado por los especialistas en la materia, diferentes volúmenes (es decir, mayores o menores) de gas polarizado tendrán diferentes valores relativos asociados a ellos. Por ejemplo, mayores volúmenes de ^{129}Xe tardan más tiempo en polarizar, por lo tanto, a caudales iguales, la polarización del volumen mayor será menor que la mostrada en la Figura 12B. Dicho de otro modo, para cantidades mayores de gas polarizado, la curva de polarización correspondiente caerá por debajo de los valores mostrados en relación con los de un volumen a modo de ejemplo de 190 cm^{3} de gas polarizado como se muestra en la Figura 12B. También, normalmente, cantidades mayores de gas polarizado pueden dar como resultado una pérdida mayor atribuida a la atenuación de la fase sólida. Sin embargo, tal como se muestra en el gráfico, la presente invención ahora proporciona un método de descongelación del gas congelado que resulta en una curva de polarización post-descongelación que predeciblemente sigue la curva de polarización inicial. En contraste, como se muestra en la Figura 12A, el nivel de polarización convencional después de la descongelación es altamente impredecible, con una media de un 4,4%. Sin duda, a unos 900 sccm (estándar cm^{3}/min), el punto de polarización es de un 2,16% mientras la previsión es del 18,7%, resultando así la fracción de retención de un bajo 12,2% (perdiendo un 87,8% de la polarización de partida). Al contrario del método convencional, la presente invención produce niveles de polarización después de la descongelación que predeciblemente corresponde al caudal utilizado durante la acumulación.

La Figura 13 refleja los niveles experimentales y teóricos de polarización antes y después de la descongelación. La curva experimental del flujo muestra los niveles de polarización conseguidos antes de la congelación (el nivel medido a la salida del ^{129}Xe del elemento 22 de bombeo). Los puntos de datos experimentales en el gráfico representan puntos de datos descongelados alcanzados por la descongelación del gas recogido, polarizado y congelado de acuerdo con la presente invención. Los datos experimentales confirman que los métodos de la presente invención mejoran la predectibilidad de la fracción de retención de la polarización (cantidad de polarización retenida después de la descongelación en relación con la conseguida antes de la congelación).

La Figura 13A refleja una curva del flujo utilizada para predecir los niveles de polarización que se esperan en un producto de Xenon polarizado descongelado, representando esta curva los niveles de polarización después de la descongelación alcanzables en ausencia de pérdidas de polarización durante la congelación y la descongelación. Esta curva incluye pérdidas por la atenuación normal del Xe sólido (que pueden en general estimarse aproximadamente de 2 horas a 77ºK). Como se muestra, bajos caudales normalmente tienen una pérdida de polarización asociada relativamente grande. Esto es porque, a bajos caudales, el tiempo de acumulación puede ser largo y el hielo "T1" juega entonces un papel mayor o más dominante. Como se muestra, la fracción de retención de la polarización alcanzada utilizando los métodos de congelación y descongelación de la presente invención es de más del 40% superior para todos los caudales, y la media es de un 49,9%. Por lo tanto, como se muestra en la Figura 13A, esta fracción de retención de la polarización es básicamente insensible al caudal. Los datos incluidos en la lista que sigue muestran a modo de ejemplo las fracciones de retención de la polarización ahora alcanzables.

Caudal	Polarización (P) teórica	P experim.	Fracción Retención
300	24	12,66	52,8%
600	22,1	11,18	50,6%
900	18,7	9,30	49,7%
1200	15,9	7,83	49,2%
1500	13,75	6,73	48,9%
1800	12,08	5,90	48,8%
2000	11,1	5,43	48,9%

Por ejemplo, un punto de datos a un caudal de 600 sccm tiene un nivel de polarización teórico de 22,1 y un correspondiente punto de datos experimental de 11,18 de polarización después de la descongelación. El nivel inicial de polarización (antes de acumulación/congelación) para este caudal es 22,1%. Por consiguiente, la fracción de retención de la polarización después del proceso de congelación/descongelación es 11,18/22,1 o sea 50,6%. Así, de modo ventajoso, la presente técnica de descongelación retiene al menos el 30% del nivel inicial de polarización y en base a estos datos preferiblemente más del 40% del nivel inicial de polarización, y más preferiblemente superior al 45%. Además, la mejor tasa de retención aumenta el nivel de polarización descongelado en un orden de magnitud ahora de modo fiable y predecible de más del 10% en contraste con los niveles de polarización de un 2% en descongelación convencional.

Aunque especialmente adecuado para el ^{129}Xe, el presente método de descongelación puede también ser empleado con éxito con otros gases nobles hiperpolarizados. Además, será apreciado por los especialistas en la materia que el gas criogénico utilizado para congelar el gas polarizado no está limitado a N_{2} líquido. No obstante, si se utilizan fuentes alternativas de refrigeración o criógenos entonces los caudales, tasas de acumulación, temperaturas del gas de "calentamiento" y otros parámetros deberán ajustarse consecuentemente. Además, es deseable utilizar fuentes de refrigeración con temperaturas al menos tan bajas como el nitrógeno líquido (77ºK) para recogida del gas polarizado. Temperaturas inferiores aumentan el tiempo Ti del gas polarizado sólido lo cual resulta en mayores tiempos de atenuación. Por ejemplo, los gases polarizados congelados a temperaturas del nitrógeno líquido tienen un tiempo de atenuación del hielo (Ti) de aproximadamente 2,8 horas mientras que los gases polarizados congelados a temperaturas del helio líquido tienen un un tiempo de atenuación del hielo (Ti) de aproximadamente 12 días. Por consiguiente, con el fin de alcanzar niveles más altos de polarización después de la congelación, la congelación se realizará preferiblemente dentro del período de tiempo Ti correspondiente.

Las Figuras 9, 10, y 11 son diagramas de bloques correspondientes a la presente invención. No se pretende que el orden de los métodos esté limitado por los números de los bloques y por el orden mostrado. Pueden incluirse también pasos adicionales como se ha descrito operativamente antes.

La Figura 9 muestra los pasos para acumular o recoger gas polarizado congelado de acuerdo con una realización de la presente invención. Una mezcla de gas que incluya un gas polarizado es dirigida hacia una ruta de recogida (Bloque 900). El gas polarizado se recibe dentro del acumulador en la ruta de recogida. El acumulador tiene un canal de entrada, un depósito de recogida y un canal de salida (Bloque 910). El depósito de recogida está expuesto a temperaturas por debajo del punto de congelación del gas noble polarizado (Bloque 920). El gas polarizado es atrapado en estado básicamente congelado en el depósito de recogida (preferiblemente en estado congelado completamente sólido) (Bloque 930). El resto de la mezcla de gas es encaminada hacia el canal de salida (Bloque 940). Una parte del canal de entrada en el acumulador se calienta para facilitar el flujo de la mezcla de gas a través del mismo (Bloque 950). El paso de calentamiento (Bloque 950) preferiblemente se lleva a cabo introduciendo un gas independiente de la mezcla de gas para calentar por conducción una zona predeterminada del canal de entrada, estando el gas independiente contenido aparte de las rutas de entrada y de salida. El gas independiente contenido se circula a continuación por una parte de la ruta de entrada para reducir la probabilidad de bloqueo a lo largo de la ruta de entrada atribuida al paso que se expone.

La Figura 10 ilustra un método para descongelar gas polarizado congelado de acuerdo con una realización preferida de la presente invención. Se dispone un recipiente sellado que incluye una ruta de flujo interior y una cámara de recogida para contener gas polarizado congelado (Bloque 1000). El gas congelado es expuesto a un campo magnético (Bloque 1005). Se calienta una parte de la ruta del flujo interior adyacente a la cámara de recogida (Bloque 1010). También se calienta el exterior del recipiente sellado (Bloque 1020). El gas congelado se licúa durante los pasos de calentamiento de tal modo que una mínima cantidad del gas polarizado pasa a la fase gaseosa ( y a la inversa, una cantidad sustancial del gas polarizado pasa directamente a la fase líquida) (Bloque 1030). Preferiblemente, el paso de licuación se lleva a cabo cerrando las válvulas de seccionamiento y sellando el recipiente permitiendo que la presión se acumule hasta un nivel predeterminado, el nivel correspondiente al tiempo que se tarda en producirse una descongelación "instantánea". Dicho de otra forma, las válvulas permanecen cerradas durante el período más corto posible (como se ha dicho antes, menos de unos 10 segundos para una dosis individual de paciente), el período correspondiente al tiempo que se tarda en alcanzar sustancialmente la máxima presión del gas al abrir la válvula de seccionamiento del acumulador. La presión de descarga puede calcularse de acuerdo con una curva de presión de vapor del Xe líquido. Ver Thermophysical Properties of Neon, Argon, Krypton, and Xenon (Hemisphere Publishing Corp., Wash, 1988) de V.A. Rabinovich y otros. Una presión de descarga típica se considera, por ejemplo, que es de menos de aproximadamente 506,625-1013,25 kPa (5-10 atm) (y como mínimo menos de 1722,525 kPa (17atm)) para una acumulación de 0,5 L en un acumulador de 30 cm^{3} a una temperatura inferior a 200ºK. Este valor será diferente para diferentes volúmenes de dedos fríos, diferentes volúmenes de acumulación, y diferentes temperaturas del gas en el Xe líquido. La referencia de Sauer y otros, arriba, indica que para Xe a 161,4ºK, P= 81,06 kPa (0,81atm), y el punto triple 289,7ºK, P=5775,525kPa (57atm), at240ºK, P=4053 kPa (40atm). Así, como se indica en el Bloque 1040, la presión del gas se descarga desde el recipiente sellado tan pronto como se alcanza el estado líquido. También es recomendable que se caliente el interior como se ha descrito antes.

La Figura 11 ilustra un método para alargar la vida útil de polarización de un producto de gas polarizado de acuerdo con una realización de la presente invención. Se dispone un campo magnético (Bloque 1100). El producto de gas polarizado es congelado en presencia del campo magnético (Bloque 1110). Una cantidad del gas polarizado congelado se sella en un dispositivo contenedor (Bloque 1115). El gas polarizado es descongelado en presencia de un campo magnético (Bloque 1120). Una cantidad sustancial del gas congelado pasa directamente a la fase líquida en el recipiente sellado durante el paso de descongelación (Bloque 1130). Aunque no se muestra en la figura, otros varios pasos pueden emplearse en línea con lo antes descrito. (Por ejemplo, otros pasos pueden incluir, aunque sin limitaciones, la disminución de la cantidad de ^{137}Xe en la mezcla de gas enriquecida, el calentamiento del interior de la ruta del flujo, la utilización de una boquilla para dirigir el flujo del gas, la despresurización del dispositivo contenedor mediante la apertura de las válvulas produciendo la gasificación del líquido y la descarga del gas polarizado a una interfaz como una bolsa u otro dispositivo de descarga).

Lo anterior es ilustrativo de la presente invención y no debe interpretarse como limitación de la misma. Aunque se han descrito algunas realizaciones de esta invención a modo de ejemplo, los especialistas en la materia fácilmente apreciarán que son posibles muchas modificaciones en las realizaciones expuestas a modo de ejemplo sin apartarse materialmente de las enseñanzas novedosas y de las ventajas de esta invención.

Claims

1. Un método para alargar la vida útil de la polarización de un producto de gas noble polarizado, comprendiendo los pasos de:

disponer un campo magnético (1100, Figura 11);

congelar un gas noble polarizado (100, Figura 8);

sellar (1115, Figura 11) el gas noble congelado (100 Figura 8) en un dispositivo contenedor (30, Figura 8) para recoger en el mismo una cantidad de gas polarizado congelado 100;

caracterizado por comprender además los pasos de:

descongelar el gas noble polarizado en presencia de un campo magnético (1120, Figura 11); y

pasar una cantidad sustancial del gas noble polarizado directamente a la fase líquida en un recipiente sellado durante dicho paso de descongelación (1130, Figura 11).

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por comprender además el paso de la despresurización del dispositivo contenedor (30) produciendo la gasificación del líquido.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dicho paso de despresurización se lleva a cabo abriendo el dispositivo contenedor a un recipiente de recogida.

4. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicho paso de descongelación se lleva a cabo calentando tanto el exterior del dispositivo contenedor (30) como una parte seleccionada del interior del dispositivo contenedor (Figura 8).

5. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que dicho dispositivo contenedor (30) está configurado para contener una dosis individual de paciente, y en el que dicho paso de descongelación tarda menos de unos diez segundos.

6. Un método de acuerdo con la reivindicación 5, en el que dicho paso de descongelación tarda menos de unos seis segundos.

7. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en el que dicho paso de congelación se lleva a cabo en presencia de un campo magnético, y en el que después de dicho paso de descongelación el gas noble polarizado retiene más del 30% de la cantidad de polarización que el gas noble polarizado tenía antes de dicho paso de congelación.

8. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el dispositivo contenedor (30) incluye una boquilla interior que dirige el flujo del gas polarizado a la parte inferior del recipiente (75) durante una operación de llenado, y en el que dicho paso de descongelación incluye el calentamiento de una parte de la boquila interior (110) para facilitar el rápido cambio de fase de una cantidad sustancial del gas noble polarizado congelado hasta un gas polarizado líquido.

9. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en el que dicho paso de congelación se realiza en un primer sitio y dicho paso de cambio de estado se realiza en un segundo sitio alejado del primer sitio.

10. Un método de acuerdo con la reivindicación 9, caracterizado por comprender además un paso de traslado después de dicho paso de congelación y antes de dicho paso de cambio de estado, en el que el gas noble polarizado congelado comprende ^{129}Xe y tiene un correspondiente tiempo Ti de atenuación, y en el que dicho paso de traslado supone el traslado del recipiente contenedor (30) al segundo sitio antes de expirar el período de tiempo Ti.

11. Un método para llevar a cabo los pasos de descongelación y/o cambio de estado de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, caracterizado por comprender los pasos de:

disponer un contenedor sellado (30) que tiene una ruta del flujo interior (80) y una cámara de recogida para contener en ella gas polarizado congelado (100);

exponer el gas polarizado congelado (100) a un campo magnético;

calentar una parte de la ruta del flujo interior (80) adyacente a la cámara de recogida (75); y calentar el exterior del recipiente sellado (30).

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12. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, comprendiendo además el paso de licuar una parte sustancial del gas noble polarizado congelado (100) durante la descongelación.

13. Un método de acuerdo con la reivindicación 12, en el que el recipiente sellado (30) está asociado operativamente con un par de válvulas de seccionamiento (35, 37) y el paso de licuación se lleva a cabo cerrando las válvulas y permitiendo que se eleve la presión en el recipiente hasta un nivel predeterminado durante dichos pasos de calentamiento.

14. Un método de acuerdo con la reivindicación 13, caracterizado por comprender además los pasos de abrir al menos una de las válvulas (35, 37) para disminuir la presión en el recipiente produciendo la gasificación del gas licuado; y

dirigir el flujo del gas hasta un receptáculo.

15. Un método de acuerdo con la reivindicación 11, en el que dicho paso de calentamiento interior se inicia antes de dicho paso de calentamiento exterior.

16. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, comprendiendo además los pasos de:

exponer el gas polarizado congelado (100) a un campo magnético;

y calentar el exterior del recipiente sellado (Figura 8).

17. Un método de acuerdo con la reivindicación 16, en el que el recipiente sellado (30) está asociado operativamente a un par de válvulas de secionamiento (35, 37) y el paso de licuación se lleva a cabo cerrando las válvulas y permitiendo que la presión en el recipiente (30) se eleve hasta un nivel predeterminado durante dicho paso de calentamiento.

18. Un método de acuerdo con la reivindicación 17, comprendiendo además los pasos de:

abrir al menos una de las válvulas (35, 37) para disminuir la presión en el recipiente produciendo la gasificación del gas licuado; y

dirigir el flujo del gas hasta un receptáculo.

19. Un producto farmacéutico polarizado ^{129}Xe producido de acuerdo con el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, teniendo el producto un nivel inicial de polarización de recogida y un nivel de polarización del gas post-congelación tales que el nivel de polarización del gas sea al menos el 30% del nivel inicial de polarización congelado.

20. Un producto farmacológico de gas noble ^{129}Xe hiperpolarizado procesado de acuerdo con el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, teniendo el producto de ^{129}Xe un nivel de polarización en la administración a un usuario de más del 10% y teniendo menos de unas 10 partes por billón de metal alcalino en el mismo, en el cual dicho producto de ^{129}Xe hiperpolarizado está hiperpolarizado mediante bombeo óptico del metal alcalino con una mezcla de gas comprendiendo ^{129}Xe y una reducida cantidad del isótopo ^{131}Xe, congelando seguidamente una cantidad predeterminada de dicho gas noble ^{129}Xe hiperpolarizado bombeado ópticamente en presencia de un campo magnético, y cambiando de estado una parte sustancial del ^{129}Xe hiperpolarizado congelado directamente desde el estado congelado al estado líquido.

21. Un producto de gas noble polarizado de acuerdo con la reivindicación 20, en el que dicha mezcla de gas bombeado ópticamente incluye menos de un 0,1% de ^{131}Xe.