专利名称：制备光抽运超极化气体的方法
技术领域：
本发明涉及尤其可用于NMR和磁共振成像(“MRI”)应用的极化惰性气体的制备。
背景技术：
极化惰性气体能够产生改善的身体的确定范围和区域的MRI图像，在该模态中身体的确定范围和区域至今已经产生不太令人满意的图像。已经发现极化的氦-3(“3He”)和氙-129(“129Xe”)特别适合于该用途。不幸地是，如将在下面进一步讨论的，气体的极化状态对处理和环境条件敏感，并且会不期望地从极化状态相对快速地衰减。
超极化器被用于制备和累积极化惰性气体。超极化器人工地增强了超过自然或平衡水平的某些惰性气体原子核(比如129Xe或3He)的极化，也就是玻尔兹曼极化。由于它提高和增大了MRI信号强度，允许医生获得身体中物质的更好的图像，所以这种增强是理想的。请参见美国专利Nos.5,545,396；5,642,625；5,809,801；6,079,213和6,295,834；因此参照结合这些专利的公开内容，就好像在此对其进行了完整描述一样。
为了制备超极化气体，典型地将惰性气体与比如铷(“Rb”)的光抽运的碱金属蒸汽混合。这些被光抽运的碱金属蒸汽与惰性气体的原子核碰撞，并通过被称为“自旋交换”的现象使惰性气体超极化。通过利用在用于碱金属的第一主要谐振的波长(例如对于Rb为795nm)处的圆偏振光照射碱金属蒸汽而产生碱金属蒸汽的“光抽运”。一般来讲，基态原子变成受激，然后接着衰减返回基态。在适度的磁场(10高斯)下，基态和受激态之间的原子的循环能够在几微秒中产生原子的接近100％的极化。一般通过碱金属的单价电子特征来实现该极化。在存在非零核自旋惰性气体时，碱金属蒸汽原子能够以下面的方式与惰性气体原子碰撞，即通过相互自旋反转“自旋交换”将价电子的极化转移至惰性气体原子核。
一般来讲，如上所述，传统的超极化器包括保持于烘箱中并与激光源接通的光抽运腔，所述激光源被配置用于并适于在工作过程中将圆偏振光发射到光抽运腔中。超极化器也可以监控在极化转移处理点处、也就是在光学单元或光抽运腔处获得的极化水平。为此，典型地可以邻近光抽运腔定位小的“表面”NMR线圈，以激励和检测其中的气体，并因此在极化转移处理过程中监控气体的极化水平。请参见美国专利No.6,295,834，其进一步说明了用于光抽运单元和极化器的极化监控系统。
机载超极化器监控设备不再需要高场NMR设备，但替代地能够使用低场检测技术以便以比传统的高场NMR技术低得多的场强(例如1-100G)来执行光学单元的极化监控。该较低的场强相应地允许较低的检测设备工作频率、比如1-400kHz。Saam等人已经提出低频NMR电路，特别用于在光学腔或包围单元的温度调节烘箱内部的单元处的超极化3He的极化水平的机载检测。请参见Saam等人的Low Frequency NMR Polarimeter forHyperpolarized Gases，Jnl.of Magnetic Resonance 134，67-71(1998)，因此参照结合其内容，就好像在此对其进行了完整描述一样。
利用自旋交换光抽运来使目标气体极化是相对慢的过程；为了使1升极化氦气在传统尺寸的极化单元中达到或接近它的饱和极化可能花费大约10-16小时或更长。与传统上所使用的单元相比，利用较大容量的单元需要较大的烘箱、更大的激光功率以及更坚固的光学器件。
因此，仍然需要能够提供极化气体的增大容量的制备的方法和系统。
发明内容
考虑到前面所述的内容，本发明的实施例提供用于提供增大数量的极化气体的超极化器、系统、方法和计算机程序产品。
某些实施例涉及用于通过以下步骤来制备超极化气体的方法(a)加热光抽运单元中的目标气体，该光抽运单元具有相对的顶部和底部部分；(b)使光抽运单元中的目标气体极化；(c)引导被加热的极化气体从光抽运单元的顶部部分流出至贮存贮存器，所述贮存贮存器具有低于从光抽运单元流出的被加热的目标气体的温度的温度；以及(d)使先前被极化的气体从贮存器流入光抽运单元。
其他实施例涉及用于利用光抽运碱金属经自旋交换来使目标气体极化的极化系统。该系统包括(a)具有分离的出口和入口的光抽运单元，出口存在于光抽运单元的顶部部分上；(b)与光抽运单元流体连通的贮存器腔，贮存器具有分离的出口和入口；以及(c)从光抽运单元出口延伸至贮存器入口以及从贮存器出口延伸至光抽运单元入口的循环气体流动路径，其中在操作中，在光抽运单元中使目标气体极化，并且使极化目标气体对流地从光抽运单元入口流出进入气体流动路径至贮存器腔。
其他实施例涉及用于使目标气体极化的设备，包括(a)用于加热光抽运单元中的目标气体的装置，所述光抽运单元具有相对的顶部和底部部分；(b)用于使光抽运单元中的目标气体极化的装置；(c)用于使被加热的极化气体对流地从光抽运单元的顶部部分流出至贮存器的装置，所述贮存器具有低于流出光抽运腔的被加热的目标气体的温度的温度；以及(d)用于使先前被极化的气体从贮存器流入光抽运单元的装置。
其他实施例还涉及一种计算机程序产品，其用于利用激光激发源来操作超极化器。使用包括与循环气体流动路径液体连通的分配阀和流量阀的循环气体流动路径，超极化器采用对流引起的从至少一个光抽运单元至至少一个贮存器的极化气体的流量排放来产生极化惰性气体。所述计算机程序产品包括计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质具有在所述介质中具体化的计算机可读程序代码。所述计算机可读程序代码包括(a)确定保持于超极化器的光抽运单元中的极化气体的极化水平的计算机可读程序代码；(b)确定保持于超极化器的贮存器中的极化气体的极化水平的计算机可读程序代码；以及(c)将光抽运单元引向光抽运目标气体以及先前被极化的目标气体的计算机可读程序代码。
有利地，本发明能够提供超极化气体的及时增大的制备，其中贮存器能够容纳单个病人大小的量(比如0.5-2升)的极化气体，同时光抽运单元工作用于产生一批新鲜的极化空气。不像分批式的制备步骤，在操作过程中，本发明所提供的系统和方法能够利用尺寸类似于传统单元的极化单元如所期望的那样基本上连续地使极化气体再循环和/或分配和供给新鲜的目标气体，以提供增大数量的极化气体。
上面所述的实施例的全部或所选择的操作、功能和/或结构可以被实现为如本发明所考虑的那样的方法、系统、计算机程序产品、组件和/或装置。
在此将详细地说明本发明的前述和其它目的和方面。
图1是可以被用于实现本发明的实施例的操作的方块图。
图2是依据本发明的实施例具有光抽运单元的极化器系统的示意性说明，该光抽运单元具有用于循环极化气体的闭合循环流动路径。
图3是依据本发明的实施例类似于在图2中示出的极化器系统、但具有位于光学单元之下的贮存器的极化器系统的示意性说明。
图4是依据本发明的其他实施例的极化器系统的示意性说明。
图5是依据本发明的实施例用于对流地排出的气体的计算机模块的方块图。
图6是依据本发明的实施例为提供磁场而配置的螺线管的正视部分剖面图。
具体实施例方式
现在将参照附图在下文中更加全面地说明本发明，附图中示出了本发明的优选实施例。然而也可以以多种不同的形式具体化本发明，并且不应将本发明理解为局限于在此给出的实施例。相同的数字涉及贯穿全文的类似的元件。在附图中，为了清楚起见可以放大层、区域或部件。在附图中，虚线表示可选特征，除非另外说明。
在下面的本发明的说明中，可以采用确定的术语来表示某些结构相对于其它结构的位置关系。如在此所使用的术语“向前”及其派生词表示当目标气体或目标气体混合物移动通过超极化器系统时它行进的一般方向；该术语意味着与术语“下游”同义，其常常被用在制备环境中，以指示所作用的确定材料比其它材料在制备步骤中更向前。相反，术语“向后”和“上游”及其派生词分别表示与向前和下游方向相反的方向。
此外，如在此所述，制备和收集极化气体，并且在具体实施例中可以冻结、解冻所述极化气体，可以单独使用所述极化气体和/或结合其它成分使用所述极化气体，以用于MRI和/或NMR光谱应用。为了简化说明，术语“冻结的极化气体”意味着已将极化气体冻结成固态。术语“液态极化气体”意味着已将或正将极化气体液化成液态。因此，尽管每一术语包括词“气体”，但是该词用于命名和描述性地跟踪经由超极化器制备以获得极化“气体”产品的气体。因此，如在此所使用的，术语“气体”或“目标气体”可以被用于确定的场合，以描述性地表示超极化惰性气体产品，并且可与修饰语、比如“固态”、“冻结的”和“液态”等一起使用，以说明该产品的状态或阶段。也如在此所使用的，术语“极化气体”、“目标气体”和/或“极化目标气体”包括感兴趣的至少一种预定目标气体(例如、但不局限于3He和/或129Xe)，并且可以包括一种或多种其它成分、比如如所期望的那样的其它载体或混合气体、缓冲气体或载液。此外，术语“极化”、“极化器”、“极化的”等可与术语“超极化”、“超极化器”、“超极化的”等互换地使用。
已经采用各种技术来累积和捕获极化气体。例如，Cates等人的美国专利No.5,642,625描述了一种用于自旋交换极化惰性气体的高容量的超极化器，以及Cates等人的美国专利No.5,809,801描述了一种用于被自旋极化的129Xe的低温累积器。如在此所使用的，可交换地使用术语“超极化”、“极化”等，并且这些术语意味着人工地增强超过自然或平衡水平的某些惰性气体原子核的极化。由于这种增强能够实现更强的成像信号，这对应于身体的物质和目标区域的更好的MRI图像，所以这种增强是期望的。如本领域的普通技术人员已知的，通过利用与被光抽运的碱金属蒸汽的自旋交换或替代地通过亚稳定性交换(metastability exchange)可以引起超极化。请参见Albert等人的美国专利No.5,545,396。
一般来讲，超极化器系统包括具有激光源的光学系统(比如二极管激光阵列)以及光束形成或聚焦部件(比如射束分裂器、透镜、反射镜或反射器、射束或波极化器或波移相器)和/或用于给保持在光抽运单元中的目标气体提供圆偏振光源的其它聚焦部件。为了简化说明，如在此所使用的术语“光学系统”包括用于产生和/或聚焦圆偏振光的光抽运部件。
一般来讲，利用温差来执行本发明的操作以提供来自光抽运单元的极化气体的对流引起的排放，从而引起极化气体上升离开光抽运单元，并流向贮存器。在某些实施例中，该系统包括闭环循环气体流动路径，其连接光抽运单元和贮存器，并允许贮存器中的气体行进回到光抽运单元，以如所需要的那样被再次极化。
图1说明了可以用于实现本发明的实施例的操作。可以在具有相对的顶部和底部部分的光抽运单元中加热目标气体(方块100)。可以在光抽运单元中使目标气体极化(方块110)。利用任何合适的能源或源可以实现该加热，比如通过利用下面几项的一个或多个(a)用于光抽运目标气体的激光能量；(b)条带或片式加热器；(c)包围光抽运单元的烘箱；或(d)另一理想的致热源。光抽运单元(以及其中的气体)可被加热到至少大约150摄氏度，并且典型地被加热到大约180摄氏度(方块116)，并且贮存器可大约处于室温。
在任何情况中，被加热的极化气体流出光抽运单元的顶部部分至保持在低于(小于)光抽运单元的温度的温度上的贮存器(方块115)。贮存器的气体可在不同于气体流出抽运单元的位置的位置处流回到光抽运单元中(方块120)。典型地，引导贮存器的气体流入抽运单元的底部部分，尽管也可以使用其它位置。然而，入口的位置应与出口间隔足以仅仅允许更新近被极化(加热)的气体离开出口的垂直距离。
可以以至少与光抽运单元一样大的容量来确定贮存器的尺寸并对其进行配置，并且典型地贮存器容量将大约与光抽运单元的容量相同，或大于光抽运单元的容量(方块113)。在某些具体实施例中，光抽运单元可以具有大约250cc的内部容量，并且贮存器可以具有在大约250-1000cc之间的内部容量。
在某些实施例中，可以将封闭回路气体循环流动路径配置成在光抽运单元和贮存器之间延伸(方块111)。可以从贮存器或在与贮存器的循环气体流动路径下游以及光抽运单元的上游流体连通的另一位置处分配极化气体。可以实现分配，同时光抽运单元积极地工作，以使保持于其中的目标气体极化(方块117)。当贮存器被保持在周围环境温度时，如前面所述，在从贮存器或其下游分配之前，不存在冷却极化气体的需要。在操作中，循环气体流动路径、光学单元和贮存器全部可以被维持在公共系统压强下，典型地在大约6-10atm之间，并且尤其典型地为大约8-10atm。然而，利用合适的硬件可以使用直至大约20-30atm之间的压强。在设置过程中，通过增加适当量的目标和补充气体可以在理想的系统压强下对系统充气。
现在转到图2，示出了超极化器系统10的一个例子。在该实施例中，系统10包括产生和传输极化光15L的光学系统15、光抽运单元20、贮存器30、循环气体流动路径40和由磁场源产生的磁场31。可以以具有场尺寸和足够均匀性的低场强来配置磁场31，从而延伸覆盖光抽运单元20和容纳单元30。在操作中，气体以图中心中所画的箭头所示的方向流动。通过根据光抽运单元20来改变贮存器30的结构，可以改变流动方向。
光抽运单元20包括相对的顶部和底部部分20u、20b，其位于所画的通过单元20的中心的线的相对侧上。在单元20中可以放置少量的碱金属25，比如铷，以用于在自旋交换过程中转变成蒸汽。单元20包括出口20e和间隔开的入口20i。出口20e应被定位在单元20的上部部分20u上，以利用来自单元20的被加热的极化气体的对流引起的排放。即，当热极化气体上升时，它将流出出口20e，并且当它向贮存器30(处于相对于光抽运单元20降低的温度)前进时，流入气体流动路径40。出口20e应被定位在单元主体上的入口20i之上，并且每个端口能够工作于相同的压强下。可以以大约100-500cc之间的内部容量来确定光抽运单元20的大小，并且光抽运单元20典型地为大约250cc。在某些实施例中，可以将光抽运单元20和贮存器30的形状设置成基本上为球形，从而增大容器的表面积与容量的比率。然而，在适当的情况下可以使用其它形状。
贮存器30包括气体流动入口30i和间隔开的出口30e。可以将贮存器30的主体的尺寸确定为大约和单元20相同的尺寸。更典型地，贮存器30被配置具有相对于光抽运单元20增大的容量，以便使其能够容纳多批连续被极化的气体，而同时从出口30e(或分配端口38)释放极化气体。例如，对于包括具有在大约100-500cc之间的容量的光抽运单元20的系统10来说，可以将贮存器的尺寸确定为单元20的尺寸的大约1.5-4倍，并且典型地为单元20的尺寸的2-3倍，例如，贮存器30可以在大约300-1000cc之间或更大。
可以冷却贮存器30，或者贮存器30可以为周围环境温度。在任何情况中，贮存器30被保持在低于光抽运单元20和/或其中的气体的温度(T1)的温度(T2)上，以在封闭回路系统中提供理想的热梯度。如上面所述，可以通过任何合适的源提供热量21给光抽运单元，以提供理想的T1和/或热梯度。该源应被配置用于抑制极化气体的衰减。作为非限制性的例子，该源可以是吹出的热空气、表面缠绕加热器、激光能量(来自极化装置或补充的能源)等。可以在光抽运单元20之上定位绝缘烘箱(未示出)。例如，光学单元20可以被容纳在再循环烘箱结构中，该再循环烘箱结构在远处容纳有发热元件，并且受迫将热空气吹送至单元20，以抑制来自气体邻近(未示出)的任何去极化影响。在其它的实施例中，在热绝缘的烘箱空间中捕获激光能量，提供基本上自加热的结构，该结构利用通过光抽运过程释放的热量。
被加热的极化气体离开光抽运单元20的顶部部分，并在气体流动路径40中行进至贮存器30。贮存器30可以位于单元20之上(图2)，或者位于贮存器30之下(图3)。贮存器30也可以位于与上升离开光抽运单元20的气体流动段401相同的高度上，以将它连接至贮存器30(未示出)。
可以用为承受所期望的系统压强而设置的小直径的管道或导管来配置气体流动路径40。小直径的管道可以具有大约0.25英寸的直径或更小。可以确定气体流动路径40的尺寸以提供在封闭回路循环路径40中行进的气体的理想流量。可以用比如铝矽酸盐或溶胶凝胶涂敷的玻璃管等任何合适的极化衰减抑制材料构成气体流动路径40。也可以使用例如、但不局限于阳极氧化铝的其它合适的材料。
可以将气体流动路径40的尺寸确定为具有第一流动段401，该第一流动段相对于第二流动段402在光抽运单元20和贮存器30(输出支路)之间具有较小的长度和/或减小的容量，所述第二流动段延伸于贮存器30和光抽运单元20(返回支路)之间。这种结构可以减小当极化气体行进至贮存器30时它经历的极化衰减的量。在其它实施例中，支路401、402可以是基本上相同的长度，或如图3所示，第二(返回)支路402可以较短。
在某些实施例中，贮存器30的入口30i与光抽运单元20的出口20e间隔至少大约2英寸。在具体实施例中，气体流动路径的第一支路401可以是大约2-3英寸长。此外，气体流动路径的第二支路402可以是第一支路401的长度的大约3-6倍。例如，第二支路402可以是大约14英寸长。
该系统10中的相关的气体流动路径40(包括支路401和402)可以具有基本上小于贮存器30和单元20的组合容量的容量。“基本上小于”意味着该流动路径可以具有大约为系统的总流动路径容量的10％的容量。总流动路径容量包括支路401、402的容量以及贮存器30和单元20的容量。例如，在排除单元20和贮存器30测量时的流动路径40的容量可以是大约15cc，而具有单元20和贮存器的流动路径40能够具有在大约500-1250cc之间的容量。
为了流量，可以将第一支路401的横截面宽度设置成不同于第二支路402。在其它实施例中，可将第一和第二支路401、402设置成具有基本上相同的横截面宽度。
图3还说明了可以包括可选的流动控制阀40V的气体流动路径40。可以在贮存器之前、光抽运单元20之前贮存器30之后定位该阀40V。代替一个阀，也可以沿着气体流动路径40使用多个阀(未示出)。应将有利于极化的阀尤其用在贮存器30的上游和单元20的下游，其中期望保持极化强度。
在某些实施例中，可以配置循环气体流动路径40以提供从光学单元20至贮存器30和/或从贮存器30至光学单元20的大约50cc/min的流量。在具体实施例中，整个封闭回路路径40(封闭回路气体流动路径包括单元20和贮存器30)被保持在相同的压强下，并且气体以基本上恒定的流量在流动路径40中行进。
图2说明了可以在贮存器30上定位的分配端口38和相关联的分配阀38V，以允许极化气体被分配到所期望的传送容器中。分配端口38也可以位于与气体流动路径40流体连通的贮存器30的下游或上游。在贮存器30(或下游但在其邻近)处设置分配端口能够允许极化气体在分配之前被冷却(在3He的批量生产之后不再需要极化单元20被冷却)。由于光抽运单元不必在多批极化气体之间被冷却，所以光抽运单元能够制备附加量的极化气体，从而避免与其中变凉相关的“停歇时间(down-time)”。
在分配之后，附加的目标气体或目标气体混合物可被添加至气体流动路径40，以取代所分配的极化气体。如此，填充端口(未示出)可以被连接至气体流动路径40，以变可控制地再供给封闭回路系统。这样，如先前所述，气体流动路径40可以与行进路径中的一个或多个(自动)阀(以字母“V”标识)在操作上相关联，以允许再填充、分配和/或控制封闭回路系统中气体的流量、压强等。在其他实施例中，气体能够以较低的压强和流量连续循环，直至基本上所有极化气体都被分配。然后，可以再填充整个系统10。
如图2中所示，通过控制器11可以自动操作和控制气体的极化和/或流动。控制器11也可以包括具有控制操作的先后顺序和/或光学系统15的激活的指令的计算机程序代码。超极化器10也可以包括气体流动路径40和能够允许极化气体50p被分配的相关分配端口40p。可将控制器11配置成自动监控光抽运单元20和贮存器30中的一个或两个中的极化气体的极化水平。此外，控制器11可以阻止将已衰减到低于所期望的极化水平的极化气体近似及时地分配至所计划和/或所请求的分配输出端。控制器11能够监控在封闭回路循环流动路径中的确定位置处的温度，并管理光抽运单元或贮存器中的任一个或两者的温度的调节(增高或降低)，以提供所期望的热梯度和/或增大或减小热梯度，从而增大或减小封闭回路路径40中的流量。
图4说明了能够包括NMR线圈51、52和相关导线51L、52L的系统10，所述导线分别从线圈延伸至极化测定系统50。需要指出，极化测定系统对本领域的普通技术人员来说是熟知的。利用极化测定和RF极化测定线圈51、52可以监控极化气体的极化强度。例如参见美国专利No.6,295,834和序列号为No.09/334,341的美国专利申请，以及Saam等人的Low Frequency NMR Polarimeter for HyperpolarizedGases，Jnl.of Magnetic Resonance 134，67-71(1998)，因此参照结合其中的每一个的内容，就好像在此对其进行了完整描述一样。
由图2-4中的虚线所示出的磁场31覆盖光抽运单元20和贮存器30，可通过任何合适的磁场源、比如永磁体或电磁体来提供。可以使用低磁场强度，典型为大约500高斯或更小，并且更典型地为大约100高斯或更小，该低磁场强度具有足以抑制在制备和存储极化目标气体的过程中的去极化影响的均匀性。在具体实施例中，在7-20高斯之间的场强可能是合适的。在某些实施例中，在10-3cm-1(高斯)数量级上的磁场均匀性至少对在任意长度的时间内覆盖超极化气体的区域来说是期望的。按照惯例，已经使用了亥姆霍兹线圈。也可以将磁场31配置成延伸足以覆盖气体分配端口38的距离(图2)。在具体实施例中，可以在分配过程中进一步产生、形成或成形磁场31以延伸覆盖极化气体的接收容器(未示出)。
这样，磁场源可以是如本领域的普通技术人员所熟知的一对亥姆霍兹线圈和/或永磁体。在某些实施例中，如图6所示，磁场源是圆筒形螺线管80，该圆筒形螺线管被配置用于产生磁场31。螺线管80可以包括空腔80c，确定该空腔的尺寸，并将其配置成围绕光抽运单元20和贮存器30。通过引导气体基本上沿着螺线管80的轴从超极化器流出或分配出分配端口38，可以分配极化气体。也可以使用其它的分配结构。可以将螺线管80配置成具有648个全绕组层和在提供大约8英寸宽和18英寸长的椭圆形磁场的每一端部上的58个额外的绕组层(16线规导线)(总共1528个绕组)。可以将螺线管配置成具有大约3440英尺的导线(大约14.4欧姆)。利用1.0amp和15V，可以生成具有充分的尺寸和均匀性的大约18.7高斯的磁场。在共同转让、共同未决的序列号为No.09/333,571的美国专利申请中说明了合适的螺线管磁场源，比如端部补偿螺线管结构，并且在序列号为No.09/583,663的美国专利申请中说明了永磁体结构，因此参照结合这些申请的内容，就好像在此对其进行了完整描述一样。
在某些实施例中，贮存器30、光抽运单元20和其之间的流动路径40全部被保持于如图6所示的螺线管空腔内部的单个公共磁保持场(magnetic holding field)BH中具有充分均匀性的区域中。在其它实施例中，可以使用多个单独的磁场源或发生器(全部电磁体、全部永磁体或每一个的组合)，以提供用于超极化器的所期望的保持场(未示出)。
可以配置单元20以用于产生相同类型的超极化目标气体，典型地为惰性气体、比如、但不限于3He和/或129Xe。
在开始工作之前或开始工作过程中，封闭回路系统10可以填充或装有目标气体(典型地为气体混合物)，以使单元20在室温时超过大气压，典型为大约110psi。在操作中，该单元能够在比如如上所述的在大约6-10atm之间的升高的压强下工作。在某些具体实施例中，代替预填充单元20以及使它与系统10接合，通过引导一批外来保持气体进入单元20，比如通过利用分配路径和/或端口或填充端口和路径(未示出)，可以用所期望的目标气体来填充单元20。请参见共同未决、共同转让的序列号为No.09/949,394；10/277,911；10/277,909的美国专利申请；以及序列号为No.60/398,033的美国临时申请(说明了支管和填充和分配系统，以及净化和抽空过程)，因此参照结合其内容，就好像在此对其进行了完整描述一样。
为了在分配了一批或多批极化气体的全部或部分之后对封闭回路系统进行再充气，可将系统10配置成允许外来(非极化气体)再填充，比如通过使目标气体流入气体流动路径40、贮存器或单元20中。典型地，再填充气体将在贮存器的下游被引导进入系统10，以便不使保持于其中的极化气体被稀释。
一般来讲，在操作中，将光抽运单元20加热至升高的温度，一般至大约150-200℃或更高，并且典型地加热至大约180℃。以在大约6-10atm之间的压强在单元20中使目标气体混合物极化。当然，如本领域的普通技术人员已知的那样，利用能够在增大的压强、即比如大约20-30atm的超过10atm的工作压强下工作的硬件，可被用于压强扩大碱金属吸收和促进自旋交换。使用利用碱金属(比如铷“Rb”)增大的压强能够有利于光的吸收(接近直至100％)。相反，针对小于传统线宽的激光线宽，可以采用较低的压强。
光抽运单元20典型地包括一些碱金属25(图2)，其蒸发和协作以提供感兴趣的目标气体的自旋交换极化。碱金属能够典型地被用于多个抽运过程，而无需补充。由于基本纯净的铝矽酸盐玻璃抵抗因碱金属的腐蚀潜能而引起的恶化的能力以及它对气体的超极化状态的相对友好的处理(也就是“良好的自旋松弛特性”，这样陈述是由于它的抑制归因于气体与单元的壁碰撞的表面接触引起的松弛的能力)，所以传统上已经由基本上纯净(基本上没有顺磁污染物)的铝矽酸盐玻璃来构成光抽运单元20。也已经提出了抑制去极化的比如溶胶凝胶涂层、氘化的聚合体涂层、金属薄膜涂层和其它涂层等的涂层以及材料。例如见美国专利申请No.09/485,476和美国专利No.5,612,103，因此参照结合其中每一个的内容，就好像在此对其进行了完整描述一样。可以由抑制极化衰减的类似材料构成贮存器30。
在极化过程中，选择的惰性气体(比如3He)与碱金属一起被保持在光学单元中。当将典型地由光学系统15(图2)中的激光和/或激光阵列提供的光源引导进入光学单元20以便光抽运碱金属和使目标气体极化时，光抽运单元暴露于升高的压强下，并在烘箱中被加热到高温。
系统10可以采用光抽运单元20中的氦缓冲气体，以压强扩宽Rb蒸汽吸收带宽。由于缓冲气体在扩宽吸收带宽的同时也可能由于潜在地将碱金属的角动量损耗引入到缓冲气体中而不是如所期望的那样引入到惰性气体中而不期望地影响碱金属-惰性气体的自旋交换，所以缓冲气体的选择可能是重要的。
如本领域的普通技术人员将理解的那样，Rb与H2O起反应。因此，被引入到极化单元20中的任何水或水汽会使Rb失去激光吸收，并减小极化单元20中自旋交换的效率或数量。因此，作为附加的预防措施，可以在具有额外表面积的极化单元20的入口之前定位额外的过滤器或净化器(未示出)，以便甚至去除附加数量的不期望的杂质，从而进一步提高极化器的效率。
超极化器系统10也能够利用被加热的抽运单元20和贮存器30之间的管线或贮存器30自身的温度变化，以从单元20中和/或形成气体流动路径的一部分的接近单元20的导管中的极化气流沉淀出碱金属25。
如本领域的普通技术人员将理解的那样，碱金属25能够在大约40℃的温度时从气流中沉淀出来。系统10也能够包括碱金属回流冷凝器(未示出)或后置单元过滤器(未示出)。回流冷凝器可以采用垂直回流出口管，其被保持在室温。通过回流管的气流速度和回流出口管的尺寸是这样的，以致由于重力，碱金属蒸汽冷凝并滴回抽运单元中。替代地，和/或附加地，Rb过滤器可被用于在沿着分配路径或在分配端口38(图2)处进行收集和累积之前从超极化气体中去除多余的Rb。在任何情况中，期望在传送(以及典型地在从超极化器分配之前)极化气体至病人之前去除碱金属，以提供无毒、无菌或制药上可接受的物质(也就是合适的物质)。
如本领域的普通技术人员可以理解的那样，在某些实施例中，可配置控制器11以提供从中央净化气体源和真空泵至封闭回路气体流动路径40的净化/抽运能力，以清洁具有污染物的系统。如此，通过流体分配系统或管道、阀和螺线管的支管网络可以限定在净化和真空源和光抽运单元20和/或贮存器30之间延伸的管道的流体流动路径。这些流体流动路径选择性地引导净化气体至光抽运单元20、贮存器30和封闭回路气体流动路径40以及从光抽运单元20、贮存器30和封闭回路气体流动路径40选择性地引导净化气体，以净化和抽空流动路径，从而准备它们以用于极化操作或保持或处理极化气体。
可以确定目标气体的量的大小以便提供与需要形成单独的批次相称的成分。典型地，未极化的目标气体是包括较小量的目标惰性气体和较大量的一种或多种高纯度生物适应的填充气体的气体混合物。例如，对于3He极化来说，具有3He/N2的未极化的气体混合物可以是大约99.25/0.75。为制备超极化129Xe，预混合的未极化的气体混合物可以是大约85-98％的He(优选为大约85-89％的He)、大约5％或更少的129Xe、以及大约1-10％的N2(优选为大约6-10％)。
在提供用于单独的MRI成像或NMR评估期间的单个病人量的数量方面，可以测定离开贮存器30的极化气体的离散量。为了提供制药级的极化气体剂量，极化气体自身可以在分配时与制药级载气或载液混合，或可将其设置成作为唯一或主要物质或成分而被供应。在具体实施例中，极化气体是3He，并在分配之前或期间(或在给予病人之前)与氮填充气体混合以形成将被病人吸入的一定量的气体混合物。在其它实施例中，例如为制备可被吸入的129Xe，129Xe可以形成所供应的剂量的主要部分(或全部)。在其它实施例中，可以规划极化气体以便将其注入体内(以载液、以微泡溶液或以气体形式)。
超极化器系统10可以包括一个或多个净化器或过滤器(未示出)，该净化器或过滤器与管道相符合地被定位，以便去除杂质、比如来自系统的水汽、碱金属以及氧(或以便抑制它们进入其中)。超极化器系统10也可以包括包含流量计的各种传感器、以及多个阀、电子螺线管、液压或气动致动器，可以通过控制器11对所述部件进行控制，以限定超极化器10的流体流动路径和部件的操作。如本领域的普通技术人员将理解的那样，在本发明的范围中可以使用其它流动控制机制和装置(模拟和电子的)。关于所测定的分配系统的附加说明，参见序列号为No.10/277,911和10/277,909的共同未决的美国专利申请以及序列号为No.60/398,033的美国临时申请，因此参照结合其内容，就好像在此对其进行了完整描述一样。
超极化器系统10可以位于典型地在MRI或NMR设备附近或接近MRI或NMR设备的使用场所(医院或诊所)的点处。即，超极化器系统10可以位于与MRI组邻近处或居于接近其侧面的空间中，从而限制空间传输和潜在地暴露于不理想的环境条件。在某些实施例中，超极化器和成像组之间的极化气体的传输时间小于大约1小时。在诊所或医院中设置超极化器允许程序到程序的短的并且一致的传输时间。此外，以具有较高极化水平的极化气体来设计制药极化气体能够减小用于形成最终剂量产品的极化气体的量，从而潜在地减小产品的成本。
如本领域的普通技术人员将理解的那样，本发明可以被具体化为一种方法、数据或信号处理系统、或计算机程序产品。因此，本发明可以采用完全硬件的实施方案、完全软件的实施方案或组合软件和硬件方面的实施方案的形式。此外，本发明还可以采用在具有计算机可用程序代码装置的计算机可用存储介质上的计算机程序产品的形式，该计算机可用程序代码装置在该介质中被具体化。可以采用任何合适的计算机可读介质，包括硬盘、CD-ROM、光学存储装置或磁存储装置。
计算机可用或计算机可读介质可以是例如，但不限于电子、磁、光学、电磁、红外或半导体系统、设备、装置或传播介质。计算机可读介质的更具体的例子(非穷举的清单)将包括以下项具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机软磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤以及便携式光盘只读存储器(CD-ROM)。需要指出，计算机可用或计算机可读介质甚至可以是在其上打印程序的纸或另一种合适的介质，因此可以例如经由纸或其它介质的光学扫描以电子方式捕获该程序，如果需要，则可以以合适的方式对其进行编译、解释或处理，然后存储于计算机存储器中。
用于实现本发明操作的计算机程序代码可用面向对象的编程语言、比如Java7、Smalltalk、Python或C++来编写。然而，用于实现本发明操作的计算机程序代码也可用传统的程序编程语言、比如“C”编程语言或者甚至是汇编语言来编写。程序代码可以完全在用户的计算机上执行，可以部分地在用户的计算机上执行，作为独立软件包，部分地在用户计算机上执行以及部分地在远程计算机上执行，或者完全在远程计算机上执行。在后一种情形中，远程计算机可以通过局域网(LAN)或广域网(WAN)与用户计算机的连接，或者可以(例如通过利用因特网业务供应商的因特网)建立至外部计算机的连接。
图5是数据处理系统的示范性实施例的方块图，其说明了依据本发明的实施例的系统、方法和计算机程序产品。处理器310经由地址/数据总线348与存储器314通信。处理器310可以是任何商业上可用或常规的微处理器。存储器314表示包含用于实现数据处理系统305的功能的软件和数据的存储器装置的全部层级。存储器314可以包括、但不局限于以下类型的装置高速缓冲存储器、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、闪存、SRAM以及DRAM。
如图5所示，存储器314可以包括用在数据处理系统305中的几种软件和数据操作系统352；应用程序354；输入/输出(I/O)装置驱动程序358；背景估计器模块350以及数据356。数据356可以包括图像数据362，该图像数据可以从图像获取系统320获得。如本领域的普通技术人员将理解的那样，操作系统352可以是适合与数据处理系统一起使用的任何操作系统，比如International Business MachinesCorpofation的OS/2、ALX或OS/390、Armonk、NY、MicrosoftCorporation的WindowsXP、WindowsCE、WindowsNT、Windows95、Windows98或Windows2000、Redmond、WA、Palm，Inc.的PalmOS、AppleComputer的MacOS、UNIX、FreeBSD或Linux、专属的操作系统或例如用于嵌入式数据处理系统的专用操作系统。
I/O装置驱动程序358典型地包括由应用程序354经操作系统352所存取的软件例行程序，用于与比如I/O数据端口的装置、数据存储356和确定的存储器314部件和/或图像获取系统320通信。应用程序354表示实现数据处理系统305的各种特征的程序，并优选地包括至少一种支持依据本发明的实施例的操作的应用。最后，数据356表示由应用程序354、操作系统352、I/O装置驱动程序358以及可以居于存储器314中的其它软件程序所使用的静态和动态数据。
如本领域的普通技术人员将理解的那样，虽然例如参照图5中为应用程序的用于对流排放和再循环极化气体的超极化器350的控制模块350来说明本发明，但也可以采用其它结构，而仍受益于本发明的教导。例如，模块350也可以被合并到操作系统352、I/O装置驱动程序358或数据处理系统305的其它这种逻辑部分中。因此，不应将本发明理解为局限于图5的结构，本发明旨在涵盖能够实现在此所说明的操作的任何结构。
在某些实施例中，用于对流排放和再循环(封闭回路流动路径)极化气体的超极化器350的控制模块350包括用于跟踪光抽运单元和/或贮存器中的极化水平数据以及当贮存器容纳有已被充分衰减从而准备被再极化或不适于应用的极化气体时进行记录的计算机程序代码。如果极化水平非常低，那么可以禁止分配，或者可以激活替代的分配端口(也就是其中更新鲜的极化气体可驻留的贮存器的上游)。模块350可以引导操作的启动，所述操作将自动确定和/或开始进行下面的一种或多种控制器操作(a)调节抽运单元中的温度；(b)从贮存器释放极化气体至分配端口；(c)通过调节流动路径中的热梯度或一个或多个流量阀的阀位置来调节封闭回路路径中气体的流量；以及(d)开始封闭回路路径的补充或再充气。
I/O数据端可被用于在数据处理系统305和NMR极化测定系统320或另一计算机系统、网络(例如因特网)或由处理器控制的其他装置之间传输信息。这些部件可以是传统的部件，比如在许多传统数据处理系统中使用的那些部件，可以依据本发明对其进行配置以如在此所述地那样工作。
虽然例如参照程序、功能和存储器的具体部分来说明了本发明，但不应将本发明理解为局限于这种逻辑部分。因此，本发明不应被理解为局限于图5的结构，而是旨在包含能够实现在此所述的操作的任何结构。
在此，确定的附图的流程图和方块图说明了依据本发明的探测单元估计装置的可能实现的体系结构、功能和操作。就这方面，流程图或方块图中的每一个方块表示包括用于实现具体逻辑功能的一个或多个可执行的指令的模块、段或代码部分。确定的流程图和方块图说明了依据本发明的实施例的用于操作超极化器或者其部件从而产生极化气体的方法。就这方面，流程图或方块图中的每一个方块表示包括用于实现具体逻辑功能的一个或多个可执行的指令的模块、段或代码部分。也应指出，在一些替代的实施方案中，方块中所指出的功能可以不按图中所标的顺序出现。例如，基于所包含的功能，实际上可以基本上同时执行连续示出的两个方块，或者有时可以以相反的顺序执行这些方块。
上述内容是本发明的说明性描述，并且不应被理解为对本发明的限制。尽管已经说明了本发明的一些示范性的实施例，但本领域的普通技术人员将容易理解，在不显著脱离本发明的新颖教导和优点的情况下，在示范性实施例中进行多种修改是可能的。因此，所有的这种修改旨在被包括在如权利要求中所限定的本发明的范围中。在权利要求中，使用装置加上功能的条文旨在覆盖在此所描述的如执行所述的功能的结构，并且不仅包含结构等价物，也包括等价结构。因此，应理解的是，上述内容是本发明的说明性描述，并且不应被理解为局限于所公开的具体实施例，并且对所公开的实施例以及其它实施例的修改都包括在所附的权利要求的范围中。本发明通过以下具有包括于其中的权利要求的等价物的权利要求来限定。
权利要求
1.一种用于制备超极化气体的方法，包括以下步骤加热光抽运单元中的目标气体，所述光抽运单元具有相对的顶部和底部部分；使所述光抽运单元中的目标气体极化；引导被加热的极化气体流出所述光抽运单元的顶部部分至贮存器，所述贮存器具有低于流出光抽运腔的所述被加热的目标气体的温度的温度；以及引导先前被极化的气体从所述贮存器进入所述光抽运单元中。
2.依据权利要求1的方法，其中通过引导先前被极化的气体进入所述光抽运单元的底部部分中来实现第二引导步骤。
3.依据权利要求1的方法，其中所述贮存器具有比所述光抽运单元更大的容量。
4.依据权利要求1的方法，其中将所述光抽运单元加热至超过大约150摄氏度。
5.依据权利要求4的方法，其中所述贮存器处于室温。
6.依据权利要求1的方法，其中所述目标气体是3He。
7.依据权利要求1的方法，进一步包括从所述贮存器分配极化气体。
8.依据权利要求7的方法，其中在极化步骤过程中实现分配步骤。
9.依据权利要求1的方法，进一步包括提供在所述光抽运单元和所述贮存器之间延伸的封闭回路循环路径。
10.依据权利要求9的方法，其中所述循环路径、所述贮存器和所述光抽运单元被保持在大约8-10atm的压强下。
11.依据权利要求1的方法，其中所述第二引导步骤具有大约50cc/min的相关流量。
12.依据权利要求11的方法，其中所述第一引导步骤具有大约50cc/min的相关流量。
13.依据权利要求1的方法，其中所述光抽运单元居于所述贮存器之上。
14.依据权利要求1的方法，其中所述光抽运单元居于所述贮存器之下。
15.依据权利要求1的方法，其中所述光抽运单元具有大约250cc的容量，并且所述贮存器具有在大约250-1000cc之间的容量。
16.依据权利要求9的方法，其中封闭回路气体流动路径具有在大约500-1250之间的相关总容量，该总容量包括所述单元和贮存器的容量，并且其中排除所述单元和贮存器的容量的封闭回路气体流动路径的容量是大约15cc。
17.依据权利要求1的方法，其中利用所述极化目标气体的对流加热来实现所述第一引导步骤。
18.依据权利要求10的方法，进一步包括产生覆盖所述光抽运单元、封闭回路流动路径和贮存器的磁保持场。
19.依据权利要求1的方法，其中所述光抽运单元与所述贮存器间隔至少大约2-3英寸。
20.依据权利要求1的方法，进一步包括确定保持在所述贮存器中的极化气体的极化水平。
21.依据权利要求20的方法，进一步包括确定所述光抽运单元中的极化气体的极化水平。
22.一种用于经由利用被光抽运的碱金属的自旋交换来使目标气体极化的极化系统，包括具有分离的出口和入口的光抽运单元，所述出口居于所述光抽运单元的顶部部分上；与所述光抽运单元流体连通的贮存器腔，所述贮存器具有分离的出口和入口；以及从所述光抽运单元出口延伸至所述贮存器入口以及从所述贮存器出口延伸至所述光抽运单元入口的循环气体流动路径，其中在操作中，在所述光抽运单元中使目标气体极化，并且被极化的目标气体对流地从所述光抽运单元入口流出进入气体流动路径至所述贮存器腔。
23.依据权利要求22的系统，进一步包括被保持在所述光抽运单元中的一些碱金属。
24.依据权利要求22的系统，进一步包括被保持在所述光抽运单元中的用于极化的一些目标惰性气体。
25.依据权利要求22的系统，其中在操作过程中，所述循环气体流动路径、光抽运单元和贮存器全部被保持在基本上相同的工作压强下。
26.依据权利要求25的系统，其中所述压强在大约8-10atm之间。
27.依据权利要求22的系统，其中所述贮存器被设置在所述光抽运单元之下。
28.依据权利要求22的系统，其中所述贮存器被设置在所述光抽运单元之上。
29.依据权利要求22的系统，其中所述光抽运单元入口被定位在所述光抽运单元的底部部分周围。
30.依据权利要求22的系统，其中所述贮存器具有比所述光抽运单元更大的容量。
31.依据权利要求22的系统，进一步包括被配置用于将所述光抽运单元加热至超过大约150摄氏度的热源。
32.依据权利要求22的系统，其中在操作过程中，所述贮存器基本上处于室温。
33.依据权利要求22的系统，其中极化目标气体是极化3He。
34.依据权利要求22的系统，进一步包括用于从所述贮存器或从在所述光抽运单元之前的贮存器下游的气体流动路径中的位置分配极化气体的分配端口。
35.依据权利要求22的系统，其中所述气体流动路径被配置用于提供大约50cc/min的气体流动路径中的极化气体流量。
36.依据权利要求22的系统，其中所述光抽运单元和贮存器限定被选择用于提供所期望的气体流动路径中流量的热差。
37.依据权利要求22的系统，其中在操作中，极化目标气体以大约50cc/min的流量行进通过气体流动路径。
38.依据权利要求22的系统，其中所述光抽运单元具有大约250cc的容量，并且所述贮存器具有在大约250-1000cc之间的容量。
39.依据权利要求22的系统，其中所述循环气体流动路径具有包括所述贮存器和单元的容量的在大约500-1250cc之间的相关总容量，并且其中排除所述贮存器和单元的容量时，所述循环气体流动路径具有大约15cc的容量。
40.依据权利要求22的系统，进一步包括用于产生覆盖所述光抽运单元、气体流动路径和贮存器的磁保持场的磁场源。
41.依据权利要求40的系统，其中所述光抽运单元与所述贮存器间隔至少大约2-3英寸。
42.依据权利要求22的系统，进一步包括被保持在所述贮存器上的RF表面线圈，其用于确定被保持在所述贮存器中的极化气体的极化水平。
43.依据权利要求22的系统，进一步包括被保持在所述光抽运单元上的RF表面线圈，其用于确定所述光抽运单元中的极化气体的极化水平。
44.一种用于使目标气体极化的设备，包括用于加热光抽运单元中的目标气体的装置，所述光抽运单元具有相对的顶部和底部部分；用于使所述光抽运单元中的目标气体极化的装置；用于对流地引导被加热的极化气体从所述光抽运单元的顶部部分流出至贮存器的装置，所述贮存器具有低于流出光抽运腔的被加热的目标气体的温度的温度；以及用于引导先前被极化的气体从所述贮存器进入所述光抽运单元中的装置。
45.一种计算机程序产品，其用于利用激光激励源来操作超极化器，使用包括与循环气体流动路径流体连通的分配阀和流量阀的循环气体流动路径，所述超极化器采用对流引起的从至少一个光抽运单元到至少一个贮存器的极化气体的流量排放来产生极化惰性气体，所述计算机程序产品包括计算机可读存储介质，具有在所述介质中具体化的计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码包括确定被保持在所述超极化器的光抽运单元中的极化气体的极化水平的计算机可读程序代码；确定被保持在所述超极化器的贮存器中的极化气体的极化水平的计算机可读程序代码；以及在操作中引导所述超极化器光抽运在光抽运单元中的目标气体以及先前被极化的再循环的目标气体的计算机可读程序代码。
46.依据权利要求45的计算机程序产品，其中所述计算机程序被配置用于使3He极化。
47.依据权利要求45的计算机程序产品，进一步包括监控光抽运单元和接近贮存器的位置之间的气体流动路径中的温差的计算机可读程序代码；以及能够改变气体流动路径中的温差以调节循环气体流动路径中极化气体的流量的计算机可读程序代码。
48.依据权利要求45的计算机程序产品，进一步包括控制至少一个流量阀的操作以自动调节行进通过气体流动路径的气体的流量的计算机可读程序代码。
49.依据权利要求45的计算机程序产品，进一步包括如果确定贮存器中的气体的极化水平符合所期望的水平则激活分配阀以分配极化气体给用户的计算机可读程序代码。
全文摘要
制备超极化气体的方法包括以下步骤(a)加热光抽运单元(20)中的目标气体，该光抽运单元(20)具有相对的顶部和底部部分；(b)使光抽运单元中的目标气体极化；(c)引导被加热的极化气体从光抽运单元的顶部部分流出至贮存器(30)，所述贮存器具有低于流出光抽运腔的被加热的目标气体的温度的温度；以及(d)使先前被极化的气体从贮存器(30)流入光抽运单元(20)中。
文档编号G01R33/28GK1981204SQ200480002285
公开日2007年6月13日 申请日期2004年1月20日 优先权日2003年1月17日
发明者P·A·切拉 申请人:医疗物理有限公司