FI85193C

FI85193C - Undersoekningsfoerfarande och - anordning.

Info

Publication number: FI85193C
Application number: FI895649A
Authority: FI
Inventors: Raimo Sepponen
Original assignee: Instrumentarium Oy
Priority date: 1989-11-27
Filing date: 1989-11-27
Publication date: 1992-03-10
Also published as: US5154603A; FI85193B; FI895649A0; FI895649A

Description

1 85193

Tutkimusmenetelmä ja laitteisto. - Undersökningsförfarande och -anordning.

Keksinnön kohteena on magneettiseen resonanssiin ja erityisesti dynaamiseen ydinpolarisaatioon perustuva menetelmä ja laitteisto esim. ihmiskehon, elintarvikkeiden tai prosessiteollisuuden tuotteiden tai itse prosessin tutkimiseen.

Magneettikuvaus (MRI) on menetelmä, joka käyttää hyväksi ydin-magneettista resonanssi-ilmiötä (NMR) kohteen ydintiheys ja ytimeen liittyvien NMR ominaisuuksien tai niihin vaikuttavien fysikaalisten ja kemiallisten ominaisuuksien paikallisten jakautumien selvittämiseen. Mainittuja NMR ominaisuuksia ovat mm.: pitkittäinen relaksaatio (karakterisoi pitkittäinen relak-saatioaika Tl), poikittainen relaksaatio (karakterisoi poikittainen relaksaatioaika T2), relaksaatio pyörivässä koordinaatistossa (karakterisoi relaksaatioaika Tlrho), kemiallinen siirtymä, kytkentäkertoimet ytimien välillä. NMR ominaisuuksiin vaikuttavat fysikaaliset ilmiöt mm.: virtaus, diffuusio, para-magneettiset ainekset, ferromagneettiset ainekset, viskositeetti ja lämpötila. Magneettisen resonanssin ja magneettikuvauksen menetelmiä ja sovellutuksia on käsitelty lukuisissa viitteissä: Wehrli FW, Shaw D, Kneeland BJ: Biomedical Magnetic Resonance Imaging, VCH Publishers, Inc., New York 1988, Stark DD and Bradley WG: Magnetic resonance imaging, C. V. Mosby Comp., St. Louis 1988, Gadian DG: Nuclear magnetic resonance and its applications to living systems, Oxford Univ. Press, London 1982, Shaw D: Fourier transform NMR spectroscopy, Elsevier, Amsterdam, 1984, Battocletti JH: NMR proton imaging, CRC Crit. Rev. Biomed. Eng. vol. 11, pp. 313 - 356, 1984, Mansfield P and Morris PG: NMR imaging in biomedicine, Adv. in magnetic resonance, Academic Press, New York 1982, Abragam A: The principles of nuclear magnetism, Clarendon press, Oxford 1961, Lasker SE and Milvy P (eds.): Electron spin resonance and nuclear magnetic resonance in biology and medicine and magnetic 2 85193 resonance in biological systems, Annals of New York Academy of Sciences vol. 222, New York Academy of Sciences, New York 1973, Sepponen RE: Discrimination and characterization of biological tissues with magnetic resonance imaging: A study on methods for Tl, T2, Tlrho and chemical shift imaging, Acta polytechnica scandinavica EL-56, Helsinki 19Θ6, Fukushima E and Roeder SB: Experimental pulse NMR, Addison Wesley, London 1981, Thomas SR and Dixon RL (eds.) NMR in medicine: The instrumentation and clinical applications, Medical Physics Monograph No. 14, American Institute of Physics, New York 1986.

Anderson WA et al: US Pat 3,475,680, Ernst RR: US Pat 3,501,691, Tomlinson BL et al: US Pat 4,034,191, Ernst RR: US Pat 3,873,909, Ernst RR: US Pat 4,070,611, Bertrand RD et al: US Pat 4,345,207, Young IR: US Pat 4,563,647, Hofer DC et al: US Pat 4,110,681, Savelainen MK: Magnetic resonance imaging at 0.02 T: Design and evaluation of radio frequency coils with wave winding, Acta Polytechnica Scandinavica Ph 158, Helsinki 1988, Sepponen RE: US Pat 4,743,850, Sepponen RE: US Pat 4,654,595, Savelainen MK: US Pat 4,712,068, Sepponen RE: US Pat 4,587,493, Savelainen MK: 4,644,281 ja Kupiainen J: US Pat 4,668,904.

Dynaamista ydinpolarisaatiota on käsitelty mm. seuraavissa viitteissä: Lepley AR and Closs GL: Chemically induced magnetic polarization, Wiley, New York 1973, Potenza J: Measurement and Applications of dynamic nuclear polarization, Adv. Mol. Relaxation Processes vol. 4, Elsevier, Amsterdam 1972, pp.

229 - 354, Ettinger KV: US Pat 4,719,425 DNP on magneettinen kaksoisresonanssimenetelmä, joka siten edellyttää kahta erillistä spinpopulaatiota. Tällaisia spinpo-pulaatioita ovat esimerkiksi elektronien ja protonien spinit. Kaksoisresonanssimenetelmässä toisen spinpopulaation jakautumaa eri energiatasoille muutetaan ja toista spinpopulaatiota havainnoidaan. Tiettyjen ehtojen täyttyessä tarkkailtavan spinpopulaation resonanssisignaali kasvaa. Vahvistuneen signaalin I; 3 85193 amplitudi voi olla useita satoja kertoja suurempi kuin vahvistamaton signaali. Vahvistuskerroin voi olla positiivinen tai negatiivinen. Vahvistunut signaali on ominaisuuksiltaan erittäin herkkä spinympäristön fysikokemiallisille ominaisuuksille ja reaktioille, joten sen käyttö materiaalin kemiallisten ominaisuuksien tutkimiseen on ilmeinen. Viittessä Ettinger KV: US Pat 4,719,425 on sovellutuksina esitetty paramagneettisten ainesosien pitoisuuksien kartoitus ja aivojen hermosolujen aktiviteetin kartoitus. Viitteissä Lurie DJ, Bussel DM, Bell LH, Mallard JR: Proton Electron Douple Resonance Imaging: A new method for imaging free radicals, Proc. S.M.R.M. Fifth Annual Meeting, 1987, New York, p. 24 ja Lurie DJ, Bussel DM, Bell LH, Mallard JR: Proton-Electron Douple Magnetic Resonance Imaging of free radical solutions, J. Magn. Reson., vol. 76, 1988, pp. 366 - 370 on esitetty vapaiden radikaaliryhmien, nitroksidi radikaalien ja hapetusasteen kartoitukset mahdollisina sovellutuksina.

Tunnetun tekniikan tason mukaisesti viitaten kuvaan 1 tutkittava kohde P sijoitetaan mahdollisimman homogeeniseen magneettikenttään Bo (nk. polarisoiva magneettikenttä), laitteistoon kuuluu lisäksi signaalikela C NMR signaalin detektoimiseksi, joka on liitetty NMR spektrometriin L, resonaattori järjestely R, joka säteilyttää kohdetta elektronispin resonanssin (ESR) taajuisella magneettikentällä, järjestelyyn R on liitetty oskillaattori ja tehovahvistin-järjestely S, paikkainformaation koodaamiseksi on laitteistossa gradienttikelajärjestely G joiden vaatimaa virtaa tuottaa spektrometrin ohjaamat gradientti-virtalähteet GC.

Tunnetussa tekniikassa elektronispin systeemiä saturoidaan säteilyttämällä kohdetta taajuudella, joka vastaa ESR-taajuutta kentässä B0 ja detektoimalla NMR signaali taajuudella, joka vastaa kenttävoimakkuutta B0. Täten esimerkiksi em. viitteissä käytettyä B0:n voimakkuutta 0.04T vastaavat ESR-taajuus 1.12 4 85193 GHz ja NMR-taajuus 1.7 MHz.

Tunnettua on myös suorittaa elektronispinsysteemin saturointi eri kentässä kuin ydinmagneettisen resonanssisignaalin havainnointi. Kohteen halkaisijan ollessa suuri säteilyn aallonpituuteen nähden kuten on tilanne tutkittaessa esim. ihmiskehoa saavutetaan kentän vaihtelemisella huomattavia turvallisuus ja teknisiä etuja. Mainittu ratkaisu ja sen edut on kuvattu viitteissä Sepponen RE: FI Pat Appi 883153 ja Lurie DJ, Hutchison JMS, Bell LH, Nicholson I, Bussel DM, Mallard JR: Field-Cycled Proton-Electron Douple Resonance Imaging of Free Radicals in Large Aqueous Samples, J. Magn. Reson., vol. 84, pp. 431 - 437, 1989.

Haittana tunnetussa tekniikassa on mm. se, että tutkittavan kohteen ollessa suhteellisen suuri ja sähköisesti johtava joudutaan elektronispinsysteemin saturointi suorittamaan suhteellisen matalalla taajuudella ja polarisoivan magneettikentän voimakkuus asettamaan suhteellisen matalaksi. Tällöin jää NMR signaalin intensiteetti heikoksi, ellei polarisoivan kentän voimakkuutta nosteta NMR signaalin rekisteröinnin ajaksi. Kentän voimakkuuden nopea muuttaminen lisää laitteiston monimut-kaisutta. Vaikeaa on myös suorittaa kuvauksia sellaisilla kuvaussekvensseillä, joissa virityspulssien toistoväli on lyhyt. Tällaisia kuvaussekvenssejä on esitetty mm. viitteissä Frahm J, Haase A, Matthaei D, Haenicke W, Merboldt K-D: US 4,707,658 ja Gyngnell ML: 4,699,148, aikaisemmin viitteissä Tanttu J: Koelaitteisto NMR-kuvausta varten, Diplomityö, Helsingin Teknillinen korkeakoulu, Teknillisen fysiikan osasto, 1982 sivu 69 ja Pohjonen J: Koelaitteisto liikkuvan kohteen NMR-kuvausta varten, Lisensiaattityö, Helsingin Teknillinen korkeakoulu, Teknillisen fysiikan osasto, 1984, sivut 39 - 40. Edelleen on vaikeaa suorittaa nk. moniviipale (multiple slice) kuvausta, jonka periaate on esitetty mm. viitteessä Crooks LE: Selective irradiation line scan techniques of NMR imaging, IEEE

5 85193

Trans. Nucl. Sei., voi. 27, pp. 1239 - 1241, 1980.

Patenttivaatimusten mukaisen keksinnön avulla vältetään tunnetun tekniikan haitat ja mahdollistetaan moniviipale- ja lyhyen toistovälin omaavien kuvaussekvenssien käyttö tietyissä sovellutuksissa.

Keksintöä on kuvattu oheisissa piirroksissa, joissa:

Kuvio 1 esittää sinänsä tunnettua ratkaisua magneettiseen resonanssi-ilmiöön perustuvasta kuvauslaitteistosta, jossa polarisoivan magneettikentän voimakkuutta muutetaan,

Kuvio 2 esittää keksinnön mukaisen kuvauslaitteiston toimintaperiaatetta,

Kuvio 3 esittää keksinnön mukaista aivoverenkierron ja -perfuu-sion tutkimiseen tarkoitettua laitteistoa.

Tunnetuissa DNP-ilmiötä (Overhauser-ilmiötä) hyväksikäyttävissä tutkimusmenetelmissä elektronispinsysteemiä saturoiva radiotaajuinen energia kohdistetaan tutkittavalle alueelle. Kuitenkin, joissain sovelluksissa tutkittavan kohteen tutkittavat ominaisuudet liittyvät ainesosiin, jotka kulkevat tutkittavan alueen kautta. Tällainen tilanne on mm. tutkittaessa veren virtausta aivoissa ja raajoissa: Jokaisen sydämen lyönnin yhteydessä veri siirtyy sydämen vasemmasta kammiosta valtimoihin ja täyttää ne. Veren virtaus kohtaa suurimman vastuksensa siirtyessään nk. pikkuvaltimoiden läpi. Aivokudosperfuusion ja mahdollisten leikkausstrategioiden selvittämiseksi aivovaltimoiden sijainti halutaan selvittää mahdollisimman tarkasti. Keksinnön mukainen menetelmä mahdollistaa mm. magneettikuvausmenetelmiä käyttäen aivovaltimoiden kuvaamisen ja aivokudosperfuusion selvittämisen. Keksinnön mukaisessa menetelmässä altistetaan tutkittava ainesosa polarisoivalle magneettikentälle Bol nk. valmistelu- 6 85193 alueelle ennen sen saapumista tutkittavalle alueelle, jonka yli on kytketty polarisoiva magneettikenttä Bo2. Valmistelualueella saturoidaan DNP menetelmien mukaisesti esim. elektronispinsys-teemiä radiotaajusella energialla. Tutkimusalueella suoritetaan magneettikuvauksen tai muun NMR tutkimuksen vaatimat toimenpiteet, yleisesti NMR-toimenpiteet. Useissa sovellutuksissa on edullista valita Bol<Bo2 sekä Bol samansuuntaiseksi Bo2:n kanssa.

Esimerkkinä menetelmän sovelluksista kuvataan seuraavasssa tarkemmin aivoverenkierron tutkiminen. Ennen tutkimusta potilaan verenkiertoon ruiskutetaan sopivaa relaksanttia, joka tehostaa elektroni- ja ydinpinsysteemien kytkeytymistä. Tällaisia yhdisteitä ovat mm. nitroksidit, joita käytetään magneettikuvauksessa kontrastiaineina. Potilas sijoitetaan keksinnön mukaiseen tutkimuslaitteeseen siten, että tutkittava alue, tässä tapauksessa pää, on korkeammassa magneettikentässä ja keuhkojen alue matalassa magneettikentässä. Ennen aivoihin saapumistaan on veri kiertänyt sydämen oikeasta eteisestä lähtien keuhkoverenkierron ja saapunut keuhkoista sydämen vasempaan eteiseen ja sieltä vasemman kammion kautta aorttaan jatkaen aivovaltimoihin. Virtausnopeus näissä on niin suuri, että sydämen lyönnin aikana on veri aivojen valtimoissa lähes vaihtunut. Keuhkoverenkierron läpäiseminen vaatii usean sydämen lyönnin.

Aivoverenkierron tutkimuksessa on edullista valita valmistelu-alueeksi rintakehä, jonka läpäisy vaatii riittävän pitkän ajan, että voimakas ydinmagnetisaatio saadaan syntymään. Toisaalta poistuessaan valmistelualueelta saavuttaa veri nopeasti tutkimusalueen joten magnetisaatio ei ehdi hävitä. Veren relaksaa-tioaika Tl 0.1 T:n kentässä on 600 ... 800 ms. Tämän ajan jälkeen on magnetisaatiosta n. 30 % jäljellä. Jos oletetaan, että B01 on 150 G ja DNP:n avulla saavutetaan magnetisaation kasvu tekijällä 100 on magnetisaatiosta 1 s:n kuluttua jäljellä määrä, joka vastaa 0.5 T:n tasapainomagnetisaatiota. Koska veren t 7 85193 virtaus valtimoissa on jatkuvaa, toistuvien viritysten aiheuttama saturaatio on vähäisempää, mikä edelleen parantaa signaa-li/kohina-suhdetta. Tämä ilmiö mahdollistaa myös verisuoniston rekonstruoinnin selektiivisellä virityksellä rekisteröidyistä ohuista viipaleista, viipaleessa oleva ja virtaava veri vaihtu-essaan saturoituu vähemmän ja verisuonisto voidaan rekonstruoida rinnakkaisten viipalekuvien avulla. Tämän menetelmän soveltamista konventionaaliseen magneettikuvaukseen on käsitelty mm. viitteesä Groen JP, de Graaf RG, van Dijk P: MR angiography based on inflow, Proc. Soc. Magn. Reson. in Med, vol. 2, p.

906, August 20 - 26, 1988, San Francisco, CA, U.S.A.. Tunnettuja relaksaatioaikamittausmenetelmiä käyttäen voidaan mitata esim. veren relaksaatioajät.

Kuviossa 1 on esitetty eräs magneettiseen resonanssiin perustuvan kuvauslaitteiston periaateratkaisu, jossa polarisoivan magneettikentän voimakkuutta muutetaan. Laitteiston toimintaa ohjaa tietokone C, joka ohjaa viritys- ja signaalinkeruutapah-tumia, signaalielektroniikan S sekä kelavälineiden R ja L toimintaa sekä gradienttitoimintoja kuten gradienttivirtalähdettä GC, joka syöttää virtaa gradienttikelastoon G sekä magneetti-virtalähdettä M1G joka syöttää virtaa magneettikelastoon Ml. Magneetti M synnyttää polarisoivan magneettikentän komponentin Bo ja Ml muuttuvan polarisoivan magneettikentän komponentin Boo.

Keksinnön mukainen menetelmä viitaten kuvioon 2 on seuraava: Kohde sijoitetaan laitteistoon siten, että kohteen se osa, josta tutkittava ainesosa kulkeutuu tutkittavalle alueelle, on polarisoivassa magneettikentässä Bol ja tutkittava alue on polarisoivassa magneettikentässä Bo2. Dynaaminen ydinpolarisaa-tioilmiö aikaansaadaan alueella, jonka yli on kytketty polarisoiva magneettikenttä Bol ja magneettikuvauksen vaatimat toimenpiteet alueella, jonka yli on kytketty polarisoiva magneettikenttä Bo2.

8 85193

Kuviossa 3 on esitetty aivoverenkierron ja -perfuusion tutkimiseen tarkoitettu keksinnön mukainen laitteisto. Potilas P sijoitetaan laitteistoon siten, että potilaan pää on magneetin M2 synnyttämässä polarisoivassa magneettikentässä Bo2, ja NMR kelasto L on pään ympärillä, kuvausalueelle tarvittavat mag-neettikenttägradientit synnytetään gradienttikelastolla G, johon tarvittavaa virtaa syöttää tietokoneen C ohjaama gradi-enttivirtalähde GC. Kelaston LE välityksellä saturoidaan P:n keuko/sydän-verenkierrossa olevan veren elektronispinsysteemiä DNP-ilmiön aikaansaamiseksi. Keuhkoverenkierrossa kiertäessään saavuttaa veren ydinmagnetisaatio DNP:n avulla moninkertaisen (tekijä jopa 100) ydinmagnetisaation verrattuna Bol:tä vastaavaan tasapainomagnetisaatioon. Kuvausalueella magneetin M2 sisällä suoritetaan magneettikuvaustoimenpiteitä jatkuvasti. Magneettikuvaustoimenpiteet on syytä tahdistaa P:n sydämen toimintaan ja tätä varten on P:hen liitetty EKG signaalin R piikin tunnistava tahdistuslaitteisto, joka ajoittaa tietokoneen C avulla kuvaustoiminnot. Muitakin tahdistusmahdollisuuksia on ajateltavissa. Esimerkisi P:n kaulavaltimoiden veren virtaus, joka saadaan selville esim. ultraäänen avulla virtauksen aiheuttaman Doppler-ilmiön avulla. Koska aivojen perfuusioku-vauksessa käytetään suuria gradienttien voimakkuuksia ja kohde on rajattu voidaan Bo2:n synnyttämiseen tarvittava magneetti ja sen hajakenttä suunnitella pieneksi, jotta se ei aiheuta merkittävää epähomogeenisuutta Bol:n alueella.

Samalla periaatteella voidaan tutkia veren virtausta raajojen valtimoissa. Tutkittaessa esimerkiksi veren virtausta jalkojen valtimoissa Bol vaikuttaa rintakehän ja vatsan alueella ja Bo2:n synnyttämiseen tarvittava magneetti ympäröi tutkittavalta kohdalta jalan.

Keksinnön ylläkuvatussa selostuksessa on esitetty vain jokin keksinnön mukainen suoritusmuoto.

Claims

9 85193

1. Menetelmä liikkuvan ainesosan tutkimiseen NMR-menetelmiä ja dynaamista ydinpolarisaatiota (DNP) käyttäen, tunnettu siitä, että DNP:n vaatima elektronispinien saturaatio tapahtuu ensimmäisellä kohteen alueella, jossa polarisoivan magneettikentän voimakkuus on eri kuin toisella kohteen alueella, johon NMR toimenpiteet kohdistetaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että NMR-toimenpiteet on tahdistettu tutkittavan ainesosan liikkeen synnyttävään, kuten esimerkiksi sydämen, toimintaan.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä aivojen, raajojen verenkierron ja selkäydinnesteen kierron selvittämiseen, tunnettu siitä, että alueen, jossa DNP:n edellyttämä elektronispinien saturaatio tapahtuu, yli on alhaisempi polarisoivan magneettikentän voimakkuus kuin sen alueen yli, johon NMR-toimenpiteet kohdistuvat.

4. Laitteisto liikkuvan ainesosan tutkimiseen käsittäen välineet NMR-meneteImien ja dynaamisen ydinpolarisaation (DNP) soveltamiseen, tunnettu siitä, että DNP:n vaatima elektronispinien saturaatio tapahtuu kohteen alueella, johon polarisoivan magneettikentän synnyttämiseen tarvittavat välineet synnyttävät eri suuruisen polarisoivan magneettikentän kuin sille kohteen toiselle alueelle, johon NMR-toimenpiteet kohdistetaan.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että siihen sisältyy välineet NMR-toimenpiteiden tahdistamiseksi tutkittavan ainesosan liikkeen synnyttävään, esimerkiksi sydämen, toimintaan. 10 851 93 P^tentkrav