ES2239192T3 - Metodo de recuperacion y de descongelacion de gases polarizados, recuperador asociado y camisa de calentamiento. - Google Patents

Metodo de recuperacion y de descongelacion de gases polarizados, recuperador asociado y camisa de calentamiento.

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ES2239192T3
ES2239192T3 ES02022943T ES02022943T ES2239192T3 ES 2239192 T3 ES2239192 T3 ES 2239192T3 ES 02022943 T ES02022943 T ES 02022943T ES 02022943 T ES02022943 T ES 02022943T ES 2239192 T3 ES2239192 T3 ES 2239192T3
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Abstract

Un acumulador criogénico (30) para recoger gases nobles polarizados congelados, incluyendo: un canal de flujo primario (80) que tiene extremos opuestos primero y segundo configurados para dirigir gas polarizado a su través; un manguito externo colocado (103) alrededor de dicho canal de flujo primario (80), teniendo dicho manguito externo (103) un extremo cerrado que define una cámara de recogida (75) colocada debajo de dicho segundo extremo del canal de flujo primario (80); y un canal de flujo secundario (95) colocado entre dicho canal de flujo primario (80) y dicho manguito externo (103), teniendo dicho canal de flujo secundario (95) un extremo cerrado colocado muy cerca de dicho segundo extremo del canal de flujo primario.

Description

Método de recuperación y de descongelación de gases polarizados, recuperador asociado y camisa de calentamiento.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un acumulador criogénico y un método para recoger gases nobles polarizados congelados.
Antecedentes de la invención
Se ha usado convencionalmente MRI para producir imágenes excitando los núcleos de moléculas de hidrógeno (presentes en protones de agua) en el cuerpo humano. Sin embargo, se ha descubierto recientemente que los gases polarizados nobles pueden producir mejores imágenes de algunas zonas y regiones del cuerpo que hasta ahora han producido imágenes poco satisfactorias en esta modalidad. Se ha hallado que el helio polarizado 3 ("^{3}He") y el xenón 129 ("^{129}Xe") son especialmente adecuados para ello. Por desgracia, como se explicará mejor más adelante, el estado polarizado de los gases es sensible a la manipulación y las condiciones ambientales y puede decaer, indeseablemente, del estado polarizado de forma relativamente rápida.
Se utilizan hiperpolarizadores para producir y acumular gases nobles polarizados. Los hiperpolarizadores mejoran artificialmente la polarización de algunos núcleos de gases nobles (tales como ^{129}Xeo ^{3}He) sobre los niveles naturales o de equilibrio, es decir, la polarización de Boltzmann. Tal aumento es deseable porque mejora y aumenta la intensidad de señal de la Formación de Imágenes por Resonancia Magnética ("MRI"), que permite a los médicos obtener mejores imágenes de la sustancia en el cuerpo. Véase la Patente de Estados Unidos número 5.545.396 de Albert y otros.
Para producir el gas hiperpolarizado, el gas noble se mezcla típicamente con vapores de metales alcalinos bombeados ópticamente tal como rubidio ("Rb"). Estos vapores de metales ópticamente bombeados chocan con los núcleos del gas noble y hiperpolarizan el gas noble mediante un fenómeno conocido como "intercambio de espín". El "bombeo óptico" del vapor de metales alcalinos se produce irradiando el vapor de metales alcalinos con luz circularmente polarizada a la longitud de onda de la primera resonancia principal para el metal alcalino (por ejemplo, 795 nm para Rb). Expresado en términos generales, los átomos del estado fundamental son excitados, decayendo después de nuevo al estado fundamental. Bajo un campo magnético modesto (10 Gauss), el ciclado de átomos entre los estados fundamental y excitado puede producir polarización casi a 100% de los átomos en unos pocos microsegundos. Esta polarización la realizan generalmente las características de los electrones de valencia del metal alcalino. En presencia de gases nobles de espín nuclear no cero, los átomos de vapor de metales alcalinos pueden chocar con los átomos de gas noble de una manera en la que la polarización de los electrones de valencia se transfiere a los núcleos de gas noble mediante un "intercambio de espín" por salto de espín mutuo.
Se han usado convencionalmente láseres para bombear ópticamente los metales alcalinos. Varios láseres emiten señales luminosas sobre varias bandas de longitud de onda. Para mejorar el proceso de bombeo óptico para algunos tipos de láseres (en particular los que tienen emisiones de mayor anchura de banda), la anchura de línea de absorción o resonancia del metal alcalino se puede hacer más amplia de manera que corresponda más exactamente a la anchura de banda de emisión particular del láser seleccionado. Este ensanchamiento se puede lograr por ampliación de presión, es decir, utilizando un gas amortiguador en la cámara de bombeo óptico. Las colisiones del vapor de metales alcalinos con un gas amortiguador darán lugar a un ensanchamiento de la anchura de banda de absorción del álcali.
Por ejemplo, es sabido que la cantidad de ^{129}Xe polarizado que se puede producir por unidad de tiempo es directamente proporcional a la potencia luminosa absorbida por el vapor de Rb. Así, polarizar ^{129}Xe en grandes cantidades consume en general una gran cantidad de potencia del láser. Al utilizar un láser de matriz de diodos, la anchura de banda de línea de absorción de Rb natural es típicamente muchas veces más estrecha que la anchura de banda de emisión láser. El rango de absorción de Rb se puede incrementar utilizando un gas amortiguador. Naturalmente, la selección de un gas amortiguador también puede impactar indeseablemente en el intercambio de espín del gas noble Rb introduciendo potencialmente una pérdida de momento angular del metal alcalino en el gas amortiguador en vez de en el gas noble, según se desee.
En cualquier caso, después de que el intercambio de espín ha terminado, el gas hiperpolarizado se separa del metal alcalino antes de la introducción en un paciente. Por desgracia, después y durante la recogida, el gas hiperpolarizado se puede deteriorar o decaer de forma relativamente rápida (perder su estado hiperpolarizado) y por lo tanto debe ser manejado, recogido, transportado y almacenado con cuidado. Así, la manipulación de los gases hiperpolarizados es crítica, a causa de la sensibilidad del estado hiperpolarizado a factores ambientales y de manipulación y la posibilidad de decadencia indeseable del gas de su estado hiperpolarizado.
Algunos sistemas de acumulación emplean acumuladores criogénicos para separar el gas amortiguador del gas polarizado y para congelar el gas polarizado recogido. Por desgracia, las reducciones de polarización del gas pueden ser problemáticas puesto que, después de la descongelación final del gas congelado, el nivel de polarización del gas se puede reducir potencialmente indeseablemente hasta un orden de magnitud. Además y desventajosamente, las temperaturas operativas sumamente bajas del acumulador cerca de la fuente de criógeno pueden obstruir a veces la zona de recogida del acumulador, disminuyendo por ello la velocidad, o incluso evitando, la recogida adicio-
nal.
Objetos y resumen de la invención
Por lo tanto, en vista de lo anterior, un objeto de la presente invención es proporcionar un acumulador criogénico y método que se puede usar en un entorno de producción sustancialmente continuo.
Estos objetos se logran con la presente invención con un acumulador criogénico incluyendo las características de la reivindicación 1 y con un método según la reivindicación 22.
En una realización preferida, el manguito externo y la pared exterior del canal de flujo secundario definen un canal de salida de gas amortiguador entremedio y la pared interior (que se extiende circunferencialmente) del canal de flujo secundario define el canal de flujo primario. También se prefiere que el segundo extremo del canal de flujo primario se configure como una boquilla y que el canal de flujo secundario se configure como una camisa de calentamiento suave o calentamiento para dirigir los gases secos circulantes a temperatura ambiente, tal como nitrógeno, a su través. El nitrógeno circulante se separa del canal de flujo y actúa para compensar o proteger el área de boquilla contra el gas amortiguador frío que sale a lo largo del exterior del canal de flujo primario y las temperaturas criogénicas asociadas con el baño criogénico. Ventajosamente, tal canal de flujo secundario puede reducir la probabilidad de que la boquilla de flujo primario se congele y obstruya por sublimación del gas noble.
Además y preferiblemente, el acumulador incluye válvulas de aislamiento primera y segunda en comunicación con el canal de flujo primario y el canal de salida de gas amortiguador. La primera válvula de aislamiento está colocada en el primer extremo del canal de flujo primario y se puede usar para controlar el flujo de un gas deseado a su través. La segunda válvula de aislamiento está espaciada del extremo cerrado del manguito externo a lo largo del canal de salida de gas amortiguador para sellar soltablemente y controlar la liberación de gas amortiguador a su través. En esta realización, el acumulador está configurado para contener cantidades de tamaño MRI (tal como 0,5-2 litros de gas polarizado) y se puede liberar soltablemente de una unidad hiperpolarizadora para el transporte fácil a un lugar remoto.
La camisa de calentamiento incluye una pared exterior que tiene extremos opuestos primero y segundo y una pared interior que tiene extremos opuestos primero y segundo. La pared interior está espaciada de la pared exterior. La pared interior está configurada de manera que esté muy cerca de un recorrido de recogida de gas polarizado. La camisa también incluye una parte superior y otra inferior que puentean y sellan cada una de las paredes interiores y exteriores. Las paredes superior, inferior y exterior e interior definen al menos un canal de circulación de fluido encerrado (tal como un gas o líquido) entremedio. La camisa también incluye un fluido y un agujero de ventilación de fluido, cada uno de los cuales está en comunicación con el canal de circulación. La entrada de fluido y el agujero de ventilación se configuran para permitir el flujo de un fluido, gas, o mezcla de gases en el canal de circulación.
En una realización preferida, la entrada de fluido de la camisa de calentamiento está asociada de forma operativa con una válvula de tal manera que esté configurada para proporcionar un caudal predeterminado del gas en el canal de circulación. También se prefiere que la pared interior se extienda circunferencialmente alrededor de un agujero central para definir un canal de flujo a su través para un gas polarizado.
Se prefiere además que la pared interior incluya una primera porción que define un primer diámetro de canal de flujo y una porción escalonada que define un segundo diámetro de canal de flujo. En esta realización, el segundo diámetro es menor que el primer diámetro y define un canal de boquilla de flujo.
Breve descripción de los dibujos
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 sumergido en un criógeno líquido según una realización de la presente invención.
La figura 3 es una vista lateral en sección transversal de un acumulador de la figura 2 según una realización de la presente invención.
La figura 4 es una vista frontal del acumulador ilustrado en la figura 3.
La figura 5 es una vista lateral en sección transversal de una realización adicional de un acumulador de la presente invención.
La figura 6 es una vista en perspectiva parcial cortada del acumulador ilustrado en la figura 3.
La figura 7 es una vista en perspectiva parcial cortada del acumulador ilustrado en la figura 5.
\newpage
La figura 8 ilustra el acumulador de la figura 7 con calor aplicado durante un proceso de descongelación según una realización de la presente invención.
La figura 9 es un diagrama de bloques que ilustra los pasos de un método para acumular gas polarizado.
La figura 10 es un diagrama de bloques que ilustra los pasos de un método para descongelar gas polarizado congelado.
La figura 11 es un diagrama de bloques que ilustra los pasos de un método para prolongar la vida útil de un gas polarizado.
La figura 12A ilustra gráficamente niveles de polarización después de la descongelación frente a caudales de acumulación de un gas polarizado descongelado usando un método de descongelación convencional.
La figura 12B ilustra gráficamente niveles de polarización ejemplares después de la descongelación frente a caudales de acumulación de un gas polarizado descongelado.
La figura 13 ilustra gráficamente niveles de polarización ejemplares de gas polarizado antes de la congelación y después de la descongelación.
La figura 13A ilustra gráficamente niveles de polarización ejemplares previstos y experimentales de xenón polarizado correspondiente al caudal de polarización para datos experimentales post-descongelación tomados cuando se procesa xenón.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas
La presente invención se describirá más plenamente a continuación con referencia a las figuras acompañantes, en las que se representan las realizaciones preferidas de la invención. Sin embargo, esta invención se puede realizar de muchas formas diferentes y no se deberá interpretar limitada a las realizaciones aquí expuestas. Números análogos se refieren a elementos análogos en todas ellas. Las capas y regiones pueden haberse exagerado para mayor claridad. En la descripción siguiente de la presente invención, se emplean algunos términos para hacer referencia a la relación posicional de algunas estructuras con relación a otras estructuras. En el sentido en que se usa aquí, el término "hacia adelante" y sus derivados se refieren a la dirección general en la que avanza la mezcla de gases cuando atraviesa la unidad hiperpolarizadora; se entiende que este término es sinónimo al término "hacia abajo" que se usa con frecuencia en entornos de fabricación para indicar que algún material en el que se actúa, está más adelante en el proceso de fabricación que otro material. A la inversa, los términos "hacia atrás" y "hacia arriba" y sus derivados se refieren a las direcciones opuestas, respectivamente, las direcciones hacia adelante y hacia abajo. Además, como se describe en la presente memoria, se recogen, congelan, descongelan y utilizan gases polarizados en espectroscopia MRI o aplicaciones MRI. Para facilidad de la descripción, el término "gas polarizado congelado" significa que el gas polarizado ha sido congelado a un estado sólido. El término "gas polarizado líquido" significa que el gas polarizado ha sido o está siendo licuado a un estado líquido. Así, aunque cada término incluye el término "gas", este término se utiliza para nombrar y seguir en la descripción el gas que se produce mediante un hiperpolarizador para obtener un "gas" polarizado producido. Así, en el sentido en que se usa aquí, el término gas se ha usado en algunos lugares para indicar de forma descriptiva un gas noble hiperpolarizado producido y se puede usar con modificadores tales como sólido, congelado y líquido para describir el estado o fase de dicho producto.
Se ha empleado varias técnicas para acumular y capturar gases polarizados. Por ejemplo, la Patente de Estados Unidos número 5.642.625 de Cates y otros describe un hiperpolarizador de alto volumen para girar gas noble polarizado y la Solicitud de Patente de Estados Unidos número 08/622.865 de Cates y otros describe un acumulador criogénico para ^{129}Xe de espín polarizado. En el sentido en que se usa aquí, los términos "hiperpolarizar", "polarizar" y análogos significan mejorar artificialmente la polarización de algunos núcleos de gases nobles sobre los niveles naturales o de equilibrio. Tal aumento es deseable porque permite señales más intensas de formación de imágenes correspondientes a mejores imágenes MRI de la sustancia y una zona deseada del cuerpo. Como conocen los expertos en la materia, se puede inducir hiperpolarización por intercambio de espín con un vapor de metales alcalinos bombeado ópticamente o alternativamente por intercambio de metastabilidad. Véase Albert y otros, Patente de Estados Unidos número 5.545.396.
Con referencia a los dibujos, la figura 1 ilustra una unidad hiperpolarizadora 10. Esta unidad es una unidad de alto volumen que está configurada para producir continuamente y acumular gases nobles de espín polarizado, es decir, el flujo de gas mediante la unidad es sustancialmente continuo. Como se representa, la unidad 10 incluye un suministro de gas noble 12 y un regulador de suministro 14. Un purificador 16 está colocado en la línea para quitar impurezas tal como vapor de agua del sistema como se explicará mejor más adelante. La unidad hiperpolarizadora 10 también incluye un flujómetro 18 y una válvula de entrada 20 colocada hacia arriba de la pila polarizadora 22. Una fuente de luz óptica tal como un láser 26 (preferiblemente un láser de matriz de diodos) se dirige a la pila polarizadora 22 mediante varios medios de enfoque y distribución de luz 24, tal como lentes, espejos, y análogos. La fuente de luz es polarizada circularmente para bombear ópticamente los metales alcalinos en la pila 22. Una válvula adicional 28 está colocada hacia abajo de la pila polarizadora 22.
Siguiendo la línea, como se representa en la figura 1, hay un dedo frío o acumulador 30. El acumulador 30 está conectado a la unidad hiperpolarizadora 10 por un par de mecanismos soltables tal como elementos roscados o desconexiones rápida 31, 32. Esto permite soltar, quitar o añadir fácilmente el acumulador al sistema 10. El acumulador 30 está asociado de forma operativa con una fuente fría o medio de refrigeración 42. Preferiblemente, y como se representa, la fuente fría 42 es un baño criogénico líquido 43. El acumulador se explicará con más detalle a continuación.
Una bomba de vacío 60 está en comunicación con el sistema. Válvulas adicionales para controlar el flujo y dirigir el gas de salida se representan en varios puntos (representados como 52, 55). Una válvula de cierre 47 está colocada junto a una espita de salida de gas "a bordo" 50. Se utilizan algunas válvulas hacia abajo del acumulador 30 para la descongelación y distribución "a bordo" del gas polarizado recogido como se describirá mejor a continuación. El sistema también incluye un transductor digital de presión 54 y unos medios de control de flujo 57 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 activar y desactivar el flujo de gas, como se describirá más adelante. Como entenderán los expertos en la materia, se puede usar otros mecanismos y dispositivos de control de flujo (analógicos y electrónicos).
En la operación, se introduce una mezcla de gases en el sistema en la fuente de gas 12. Como se representa en la figura 1, la fuente 12 es un depósito de gas a presión que contiene una mezcla premezclada de gases. La mezcla de gases incluye un mezcla pobre de gases noble y amortiguador (el gas a hiperpolarizar está presente como una cantidad relativamente pequeña en la mezcla premezclada de gases). Preferiblemente, para producir ^{129}Xe hiperpolarizado, la mezcla premezclada de gases es aproximadamente 95-98% He, aproximadamente 5% o menos ^{129}Xe, y aproximadamente 1% N_{2}.
También se prefiere que la mezcla premezclada de gases incluya una cantidad mínima del isótopo xenón -131 (o ^{131}xenón) (reducido de su niveles naturales). En la naturaleza, las abundancias típicas isotópicas de xenón son las siguientes:
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% ½
^{130}Xe 4,1% 0
^{131}Xe 21,2% 3/2
^{132}Xe 26,9% 0
^{134}Xe 10,4% 0
^{136}Xe 8,9% 0
Se utilizan mezclas de ^{129}Xe enriquecidas para proporcionar cantidades suficientes del gas ^{129}Xe para la mezcla de gases hiperpolarizados. En el sentido en que se usa aquí, el término "enriquecido" significa aumentando la abundancia de ^{129}Xe sobre su nivel de abundancia natural. Sin embargo, el ^{129}Xe enriquecido también incluye típicamente otros isótopos de xenón. Por desgracia, al menos un isótopo ^{131}Xe particular puede interactuar con ^{129}Xe congelado (en particular a temperaturas bajas tal como 4,2ºK) de manera que pueden hacer que el ^{129}Xe se depolarice. A temperaturas bajas, el ^{131}Xe hace de un "colector de espín" para absorber o decaer la polarización de ^{129}Xe y es un mecanismo de relajación potencialmente dominante a los límites de grano de cristal del gas ^{129}Xe "sólido" congelado polarizado.
Como se representa en la Tabla I anterior, ^{131}Xe es un isótopo con un espín nuclear superior a la mitad. Como tal, tiene un "momento cuádruple" que significa que ^{131}Xe es capaz de relajarse cooperando con gradientes de campo eléctrico. Véase Gatzke y otros, Extraordinarily low nuclear spin relation in frozen laser-polarized ^{129}Xe, Phys. Rev. Lett. 70, pág. 690-693 (1993). Se ha sugerido que a 4,2ºK, el mecanismo dominante de relación de fase sólido es "relajación cruzada" entre los isótopos ^{129}Xe y ^{131}Xe en los límites de grano de cristal. Además, donde el gas ^{129}Xe "congelado" o "sólido" toma una forma parecida a un copo (tal como un copo de nieve), la forma tiene un área superficial relativamente grande. Por desgracia, este área superficial relativamente grande también puede permitir mayores interacciones de despolarización con el ^{131}Xe. Se estima que el intercambio mayor o "más eficiente" está en los límites de grano de cristal porque ahí es típicamente donde los campos eléctricos son más intensos. Esta intensidad de campo eléctrico puede permitir después que la energía de salto de espín nuclear de ^{131}Xe sea casi la misma que la energía de salto de espín de ^{129}Xe.
A continuación se exponen ejemplos de mezclas de ^{129}Xe enriquecidas con un contenido reducido de isótopos de ^{131}Xe.
Ejemplo 1 Mezcla de gas ^{129}Xe enriquecida 82,3%
Isótopo Abundancia Espín nuclear
^{124}Xe 0,47% 0
^{126}Xe 0,43% 0
^{128}Xe 8,41% 0
^{129}Xe 82,3% ½
^{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 
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Ejemplo 2 Mezcla de gas ^{129}Xe enriquecida 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% ½
^{130}Xe 0,22% 0
^{131}Xe 0,09% 3/2
^{132}Xe 0,03% 0
^{134}Xe 0,02% 0
^{136}Xe 0,02% 0
En una realización preferida, cuando el ^{129}Xe recogido polarizado se expone a temperaturas fría y congela, la mezcla de gases ^{129}Xe enriquecida incluye preferiblemente menos de aproximadamente 3,5% ^{131}Xe, y más preferiblemente menos de aproximadamente 0,1% ^{131}Xe.
En cualquier caso, la mezcla "enriquecida" de gases se pasa por el purificador 16 e introduce en la pila polarizadora 22. Las válvulas 20, 28 son válvulas de conexión/desconexión asociadas de forma operativa con la pila polarizadora 22. El regulador de gas 14 reduce preferiblemente la presión de la fuente depósito de gas 12 (que opera típicamente a 13.780,2 kPa (2000 psi o 136 atm)) a aproximadamente 608-1013,25 kPa (6-10 atm) para el sistema. Así, durante la acumulación, todo el colector (conducto, pila polarizada, acumulador, etc) es presionizado a la presión de la pila (aproximadamente 608-1013,25 kPa (6-10 atm)). El flujo en la unidad 10 se activa abriendo la válvula 58 y se controla regulando los medios de control de flujo 57.
El tiempo de residencia típico del gas en la pila 22 es aproximadamente 10-30 segundos; es decir, tarda del orden de 10-30 segundos en que la mezcla de gases sea hiperpolarizada mientras pasa por la pila 22. La mezcla de gases se introduce preferiblemente en la pila 22 a una presión de aproximadamente 608-1013,25 kPa (6-10 atm). Naturalmente, con hardware capaz de operar a presiones incrementadas, se prefieren presiones operativas de más de 1013,25 kPa (10 atm), tal como aproximadamente 2026,5-3039,75 kPa (20-30 atm) para ampliar la presión del Rb y absorber hasta 100% de la luz óptica. En contraposición, para anchuras lineales de láser inferiores a anchuras de línea convencionales, se puede emplear presiones más bajas. La pila polarizadora 22 es una pila de bombeo óptico a alta presión alojada en una cámara calentada con agujeros configurados para permitir la entrada de la luz láser emitida. Preferiblemente, la unidad hiperpolarizadora 10 hiperpolariza un gas noble seleccionado tal como ^{129}Xe (o ^{3}He) mediante un proceso convencional de intercambio de espín. Se introduce en la pila polarizadora 22 un metal alcalino vaporizado tal como rubidio ("Rb"). El vapor de Rb se bombea ópticamente mediante una fuente de luz óptica 26, preferiblemente un láser de diodo.
La unidad 10 emplea gas amortiguador helio para ampliar la presión de anchura de banda de absorción de vapor de Rb. La selección de un gas amortiguador es importante porque el gas amortiguador, al mismo tiempo que amplía la anchura de banda de absorción, también puede impactar indeseablemente en el intercambio de espín de metal alcalino-gas noble introduciendo potencialmente una pérdida de momento angular del metal alcalino en el gas amortiguador en vez de en el gas noble según se desee. En una realización preferida, se hiperpolariza ^{129}Xe mediante intercambio de espín con el vapor de Rb bombeado ópticamente. También se prefiere que la unidad 10 use un gas amortiguador helio con una presión muchas veces mayor que la presión de ^{129}Xe para el ensanchamiento de presión de manera que minimice la destrucción de espín de Rb.
Como apreciarán los expertos en la materia, Rb es reactivo con H_{2}O. Por lo tanto, el agua o vapor de agua introducido en la pila polarizadora 22 puede hacer que el Rb pierda absorción láser y disminuya la cantidad o eficiencia del intercambio de espín en la pila polarizadora 22. Así, como precaución adicional, se puede colocar un filtro o purificador adicional (no representado) antes de la entrada de la pila polarizadora 22 con área superficial adicional para quitar incluso cantidades adicionales de esta impureza indeseable para aumentar más la eficiencia del polarizador.
El gas hiperpolarizado, junto con la mezcla de gases amortiguadores, sale de la pila polarizadora 22 y entra en el acumulador 30. Con referencia ahora a las figuras 3-7, el gas polarizado y gas amortiguador bajan por un recorrido de flujo primario 80 y a un depósito de recogida 75 situado en la parte inferior del acumulador 30. En la operación, en la porción inferior del acumulador 30a, el gas hiperpolarizado se expone a temperaturas inferiores a su punto de congelación y se recoge como un producto congelado 100 en el depósito 75. El resto de la mezcla de gases permanece gaseosa y sale del recorrido de flujo primario 80 y el depósito 75 fluyendo en contraflujo en un recorrido de salida 90 diferente del recorrido de flujo primario 75 de tal manera que salga del acumulador 30. El acumulador 30 se explicará con más detalle a continuación. El gas hiperpolarizado se recoge (y almacena, transporta y descongela preferiblemente) en presencia de un campo magnético, en general del orden de al menos 500 Gauss, y típicamente de aproximadamente 2 kiloGauss, aunque se puede usar campos más altos. Los campos más bajos pueden aumentar potencialmente indeseablemente la tasa de relajación o disminuir el tiempo de relajación del gas polarizado. Como se representa en la figura 2, el campo magnético lo realizan imanes permanentes 40 colocados alrededor de un yugo magnético 41.
La unidad hiperpolarizadora 10 también puede usar el cambio de temperatura en la línea de salida entre la pila de bombeo calentada 22 y la trampa fría refrigerada o acumulador 30 para precipitar el metal alcalino de la corriente de gas polarizado en el conducto encima del acumulador 30. Como apreciarán los expertos en la técnica, el metal alcalino puede precipitar de la corriente de gas a temperaturas de aproximadamente 40ºC. La unidad también puede incluir un condensador de reflujo de metales alcalinos (no representado). Preferiblemente, el condensador de reflujo emplea un tubo de salida de reflujo vertical, que se mantiene a temperatura ambiente. El caudal de gas a través del tubo de reflujo y el tamaño del tubo de reflujo de salida es tal que el vapor de metales alcalinos se condense y caiga de nuevo a la pila de bombeo por fuerza gravitatoria. En cualquier caso, es deseable quitar el metal alcalino de tal manera que el producto no sea tóxico y cumpla las normas establecidas (por ejemplo, al menos a un nivel a o inferior a 10 ppb) antes de administrar gas polarizado a un paciente.
Opcionalmente, también se puede colocar una trampa fría intermedia entre la salida de la pila polarizadora 22 y el dedo frío 30. La temperatura de la trampa fría intermedia (no representada) se diseñará preferiblemente para atrapar metal alcalino (por ejemplo Rb) mientras sale del gas noble y gas(es) vehículo libre para llegar al dedo frío 30. Esto puede ser importante para aplicaciones in vivo donde es importante quitar el Rb del gas hiperpolarizado (es decir, quitar el Rb a un nivel tal que no quede más que cantidades de traza, tal como del orden de un ppb o menos, en el gas hiperpolarizado cuando se suministre a un paciente).
Una vez que se ha recogido una cantidad deseada de gas hiperpolarizado en el acumulador 30, el acumulador se puede desmontar o aislar del sistema. En una realización preferida, se cierra la válvula 28, dejando la pila 22 a presión. Esto permite que el acumulador 30 y el tubo situado hacia abajo comiencen a depresionizarse porque la válvula de flujo 58 está abierta. Preferiblemente, la unidad 10 situada hacia abajo de la válvula 28 se puede despresionizar a aproximadamente 1,5 atm antes de cerrar la válvula de flujo 58. Después de cerrar la válvula de flujo 58, la válvula 55 se puede abrir para evacuar el gas restante en el colector. Una vez rarificado el tubo de salida, se cierran las válvulas 35 y 37. Si el gas recogido va a ser distribuido "a bordo", es decir, sin quitar el acumulador 30 de la unidad 10, se puede unir a la salida 50 un receptáculo tal como una bolsa u otro vaso. La válvula 47 se puede abrir para rarificar la bolsa unida (no representada). Una vez que la bolsa es rarificada y el gas está listo para descongelación, la válvula 52 se puede cerrar opcionalmente. Esto minimiza el contacto del gas polarizado con la región de transductor de presión 59 de la unidad 10. Esta región incluye normalmente materiales que tienen un efecto despolarizante en el gas polarizado. Así, los largos tiempos de contacto con esta región pueden promover la relajación del gas polarizado.
Si la válvula 52 no está cerrada, se cierra preferiblemente la válvula 55 para evitar la evacuación de gases descongelados polarizados. También se prefiere que los canales de flujo en el lado descendente de la pila 22 se formen a partir de materiales que minimizan el efecto de decadencia en el estado polarizado del gas. También se puede utilizar recubrimientos como los descritos en la Patente de Estados Unidos número 5.612.103, cuya descripción se incorpora a la presente memoria por referencia como si se expusiesen aquí con todo detalle. En la operación de descongelación "a bordo", la válvula 37 se abre para dejar salir el gas. Después prosigue por la válvula 47 y sale por la salida 50.
En el modo de descongelación de "acumulador transportado" o "separado", las válvulas de aislamiento primera y segunda 35, 37 del acumulador se cierran después de la despresionización y evacuación del acumulador 30. La evacuación del acumulador 30 permite extraer todo gas residual en el acumulador. Dejar gas residual en el acumulador 30 con el gas polarizado congelado puede contribuir a la carga de calor en el gas congelado, elevando posiblemente la temperatura del gas congelado y acortando potencialmente el tiempo de relajación. Así, en una realización preferida, después de la despresionización y evacuación y de cerrar las válvulas de aislamiento 35, 37, el acumulador 30 se desconecta de la unidad 10 mediante puntos de liberación 31, 32.
También se prefiere que el acumulador incluya juntas tóricas en ranuras (figura 2, 220) para facilitar el cierre hermético de las conexiones rápidas (u otros medios de unión) a las líneas de conducto en el sistema. Este tipo de mecanismo de cierre hermético de junta tórica/ranura puede contribuir a asegurar la integridad incluso del cierre a las presiones operativas elevadas (es decir, 608-1013,25 kPa (6-10 atm) y mayores) de la unidad.
Las válvulas de aislamiento 35, 37 están en comunicación con el canal de flujo primario 80 y el canal de salida de gas amortiguador 90 respectivamente y cada una puede regular la cantidad de flujo a su través así como cerrar los recorridos respectivos para aislar el acumulador del sistema 10 y el entorno. Después de quitar el acumulador llenado 30, se puede unir otro acumulador fácilmente y de forma relativamente a los puntos de liberación 31, 32. Preferiblemente, al unir el nuevo acumulador 30, el colector de salida es evacuado usando la válvula 55 (con las válvulas 52, 35, 37 abiertas). Cuando se logra un vacío adecuado (tal como aproximadamente 13,3Pa (100 miliTorr)) que se produce típicamente dentro de aproximadamente un minuto más o menos, se cierra la válvula 55. Posteriormente se vuelve a abrir la válvula 28 que vuelve a presionizar el colector de salida a la presión operativa de la pila. La válvula 58 se abre después 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. Tal cambio tarda típicamente del orden de menos de aproximadamente cinco minutos. Así, una unidad hiperpolarizadora preferido 10 está configurada para proporcionar un flujo continuo de gas ^{129}Xe hiperpolarizado para producción continua y acumulación del mismo.
Pasando ahora a la figura 2, se representa un conjunto de acumulador y yugo de imán 230. El acumulador 30 se soporta por una plataforma de soporte 210 colocada encima del baño criogénico 43. Un par de chapas 215 se extienden longitudinalmente desde la plataforma de soporte 210 y conectan con el yugo de imán 41. El yugo de imán 41 está colocado junto a y muy cerca del depósito de recogida 75 del acumulador 30 para proporcionar el campo magnético deseado al gas polarizado recogido. Como se representa, el acumulador 30 incluye una porción de soporte de contacto 211, 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 según la presente invención. Como se representa, el acumulador 30 incluye un recorrido de flujo primario central 80, un recorrido de flujo secundario 95, y un canal de salida de gas amortiguador 90. El recorrido de flujo secundario o canal 95 está colocado entremedio del canal de recorrido de flujo primario 80 y el canal de salida de amortiguador 90. En una realización preferida, el acumulador 30 incluye una boquilla 110 en el extremo inferior del recorrido de flujo primario. La boquilla 110 puede contribuir a mejorar la localización del gas hiperpolarizado cuando impacta en las superficies frías del depósito 75. La boquilla 110 también puede permitir expansión de Joule-Thompson del enfriamiento de la corriente de gas por debajo del punto de congelación del gas hiperpolarizado, minimizando ventajosamente la carga de calor en el gas hiperpolarizado estacionario y recogido y por lo tanto, prolongando potencialmente su tiempo de relajación. En cualquier caso, el acumulador 30 se sumerge preferiblemente en el baño criogénico 43 de tal manera que se sumerja el depósito 75 y aproximadamente 7,62-15,24 cm (3-6 pulgadas) del tubo. Si se sumerge en nitrógeno líquido, la pared exterior del manguito externo 103 y la pared exterior o el depósito 75 estarán a aproximadamente 77ºK. El punto de congelación de xenón es aproximadamente 160ºK. Así, al salir del recorrido de flujo primario 80, el gas hiperpolarizado choca con la superficie fría y se congela en el depósito 75 mientras los gases amortiguadores salen del acumulador por el canal de salida 90. El depósito puede incluir un recubrimiento superficial para contribuir a evitar la relajación producida por el contacto del gas polarizado con el mismo. Véase la Patente de Estados Unidos número 5.612.103, "Improved Coatings for the Production of Hyperpolarized Noble Gases". Alternativamente, el depósito se puede formar de o incluir otros materiales tal como películas metálicas no magnéticas de alta pureza.
Como se representa en la figura 4, el recorrido de flujo secundario 95 tiene una entrada y una salida 125, 126, respectivamente, colocadas separadas aproximadamente 180º en una porción superior del acumulador 30. Naturalmente, como apreciarán los expertos en la técnica, también se puede emplear disposiciones alternativas de la entrada y salida 125, 126 del recorrido de flujo secundario. Preferiblemente, la entrada y salida 125, 126 están configuradas de manera que estén encima del baño criogénico 43 u otro medio de refrigeración cuando se monte el acumulador 30. A excepción de sus respectivos agujeros de entrada y ventilación 125, 126, el recorrido de flujo secundario 95 está encerrado y separado del recorrido de flujo primario 80 y el recorrido de salida de gas 90. Como tal, el recorrido de flujo secundario 95 incluye un extremo cerrado sellado 96.
En la operación, como se representa en la figura 6, el recorrido de flujo secundario 95 proporciona calor a una región del acumulador 30. Preferiblemente, el recorrido de flujo secundario define una camisa de calentamiento 93. La camisa de calentamiento 93 está configurada para proporcionar una corriente caliente contenida de un fluido, preferiblemente un gas, alrededor del recorrido de flujo primario 80. Más preferiblemente, la camisa de calentamiento 93 dirige nitrógeno caliente o a temperatura ambiente por el recorrido de flujo secundario a una zona adyacente a la porción inferior del recorrido primario 80; es decir, la porción del recorrido secundario está muy cerca o adyacente al depósito 75. En una realización preferida, el gas caliente en la camisa de calentamiento 93 se dirige al área de boquilla 110 del recorrido de flujo primario 80 mediante el recorrido de flujo secundario 95. Ventajosamente, tal gas caliente puede compensar la tendencia indeseable de esta zona del recorrido de flujo primario a congelarse y obstruirse debido a gases congelados atrapados en el recorrido de flujo 80. Además y ventajosamente, esta configuración también puede minimizar la carga de calor asociada que se dirige al depósito 75 y en el gas polarizado recogido congelado. El problema de obstrucción puede ser especialmente problemático en acumuladores con diseños de boquilla, puesto que incluso pequeñas cantidades acumuladas en la zona de salida reducida de la boquilla 110 pueden bloquear el recorrido de flujo primario 80 y disminuir e incluso evitar la recogida adicional de gas polarizado. "Calentar" en el sentido en que se usa aquí puede ser la aplicación de calor a cualquier temperatura superior al punto de congelación del gas polarizado seleccionado, es decir, superior a 160ºK para ^{129}Xe.
Indicado en términos generales, el tiempo de relajación de gas polarizado sólido (especialmente ^{129}Xe) depende fuertemente de la temperatura del gas congelado. Expresado de forma diferente, cuanto más baja es la temperatura del gas congelado, más largo es el tiempo de relajación. Así, es importante minimizar la carga de calor en el gas congelado acumulado. La carga de calor presentada por la corriente de gas que se dirige por el recorrido de flujo primario 80 se atribuye en gran parte a la necesidad de enfriar el gas amortiguador de temperatura ambiente a la temperatura criogénica (como se describe en la presente memoria, nitrógeno líquido (LN2) o 77ºK. Se estima que esta carga de calor es del orden de 2W. Así, para minimizar la carga de calor en el ^{129}Xe polarizado acumulado, es deseable enfriar el vapor de gas a cerca de (pero por encima de) la temperatura de congelación del gas polarizado antes del punto de salida de la boquilla 110. Para ^{129}Xe, el gas amortiguador se enfría preferiblemente justo por encima de 160ºK, por debajo del que el Xe puede congelarse en la boquilla, produciendo potencialmente una obstrucción o bloqueo. Ventajosamente, enfriar el gas de salida a 160ºK puede cortar la carga de calor en el gas polarizado congelado hasta 50%. La configuración de la presente invención permite enfriar este canal de salida mediante el contraflujo del gas amortiguador. Ventajosamente, este contraflujo de enfriamiento no expone excesivamente la boquilla 110 a temperaturas bajas porque la boquilla 110 o la mayor parte del área susceptible del recorrido de flujo 80 está separada del canal de salida por la camisa de calentamiento o el canal de flujo secundario 95.
Con referencia de nuevo a la figura 4, como se representa, el recorrido de flujo primario 80 se define por la forma de la pared interior 93a de la camisa de calentamiento 93. Preferiblemente, la pared interior 93a se extiende circunferencialmente alrededor de un agujero para definir el recorrido de flujo primario 80. Igualmente, la pared exterior 93b de la camisa de calentamiento 93 junto con el manguito externo 103 del acumulador 30 define el recorrido de salida de amortiguador 90. Como se representa en la figura 6, en una realización preferida, la pared interior 93a, la pared exterior 93b y el manguito externo 103 están alineados radialmente. La pared interior de la camisa de calentamiento 93 incluye una porción escalonada 193 con un diámetro inferior al diámetro de la sección precedente de la pared interior. Esta porción escalonada está configurada para proporcionar la boquilla 110 en el recorrido de flujo primario 80.
Las figuras 5 y 7 ilustran una realización preferida de un acumulador 30' según la presente invención. Como se representa en esta realización, la camisa de calentamiento 93 incluye al menos un conducto alargado 145 que se extiende a lo largo de una porción principal del recorrido de flujo secundario 95. Como el conducto 145 está expuesto a temperaturas criogénicas, deberá hacerse de materiales adecuados sustancialmente no despolarizantes y criorreceptores como PTFE y análogos. Los materiales adecuados incluyen materiales que tienen baja resistencia a la temperatura. Un ejemplo de una marca de dicho material es TEFLON^{TM} o superficies recubiertas de película metálica. El conducto 145 dirige el gas caliente por la porción inferior del recorrido de flujo primario 80, y más preferiblemente dirige el gas caliente al área de boquilla 110 del canal de flujo primario encima del depósito 75. Como tal, el extremo inferior 145a del conducto se coloca preferiblemente junto a la boquilla 110. Una vez liberado, el gas caliente sube por el recorrido de flujo secundario 95 que se extiende circunferencialmente y sale por el agujero de ventilación de salida 126. Este gas caliente puede contrarrestar el efecto de frío/obstrucción que el contraflujo del gas amortiguador frío tiene en el recorrido de flujo primario en la región susceptible de obstrucción, como se ha explicado anteriormente. Naturalmente, también se puede emplear entradas de camisa de calentamiento, conductos, y agujeros de ventilación adicionales (no representados) dentro del alcance de la invención.
Ejemplos de diámetros adecuados del recorrido de flujo primario 80, el recorrido de flujo secundario 95, y el canal de salida de gas amortiguador 90 son 6,35, 12,7, y 19,05 mm (0,25, 0,50, y 0,75 pulgada), respectivamente. En una realización, la boquilla 110 se extiende a lo largo del recorrido de flujo primario durante aproximadamente 25,4 mm (1,0 pulgada). Preferiblemente, el acumulador 30 se forma a partir de vidrio tal como PYREX^{TM} y está configurado para resistir desde aproximadamente 608-1013,25 kPa (6-10 atm) o más de presión. En la operación, se prefiere que, durante la acumulación de gas hiperpolarizado congelado, el gas caliente se introduzca en el canal secundario a una velocidad de aproximadamente 7,8658-47,2 ml/s (1-6 pie^{3}/hora), más preferiblemente a la velocidad de aproximadamente 15,732-39,329 ml/s (2-5 pie^{3}/hora), y todavía más preferiblemente a una velocidad de aproximadamente 23,597 ml/s (3 pie^{3}/hora). Preferiblemente, durante la recogida, el acumulador 30 opera a la misma presión que la pila de bombeo óptico.
Como se ha explicado anteriormente, el gas caliente preferido es un N_{2} seco a temperatura ambiente (N_{2} tiene aproximadamente dos veces la capacidad calorífica del helio), pero la invención no se limita a él. Las temperaturas ejemplares preferidas del gas caliente son desde aproximadamente 10-26,7ºC (50-80ºF), y más preferiblemente desde aproximadamente 20-25,6ºC (68-78ºF). En una realización preferida, se establece un caudal de "gas caliente" correspondiente a un nivel mínimo correspondiente a una temperatura predeterminada del gas caliente; es decir, la velocidad mínima se establece para una cierta temperatura por debajo de la que se produce obstrucción, esta velocidad mínima se puede denominar el "caudal crítico". Si se utilizan temperaturas más altas, se requerirán típicamente caudales más bajos. Los ejemplos de otros gases calientes incluyen, aunque sin limitación, helio, aire seco, y análogos. Preferiblemente, si se utilizan gases "calientes" a temperatura más alta, se utiliza un caudal más bajo correspondiente. En contraposición, si se utilizan gases "calientes" a temperatura inferior, se utiliza un caudal más alto correspondiente.
Ventajosamente, la presente invención puede recoger aproximadamente 80-100% del gas polarizado en la corriente de gas. Además, la presente invención puede producir un gas polarizado con una vida útil prolongada. Esto se atribuye a las mejores técnicas de recogida y/o descongelación que pueden producir un gas polarizado que retiene mayores niveles de polarización en comparación con las técnicas convencionales como se explicará mejor más adelante.
Descongelación
Como se ha observado anteriormente, una realización preferida de la presente invención emplea un dispositivo compacto de imán permanente colocado alrededor del gas hiperpolarizado. Por desgracia, el campo magnético proporcionado por tal dispositivo puede ser algo inhomogéneo. Cuando se descongela gas, esta inhomogeneidad puede despolarizar el gas hiperpolarizado de forma relativamente rápida. ^{129}Xe recién descongelado es especialmente susceptible a decadencia inducida por inhomogeneidad ("pérdida de polarización"). Por ejemplo, la relajación de ^{129}Xe gaseoso es especialmente problemática cuando se difunde a través de campos inhomogéneos. Esta relajación se escala en general linealmente con la presión inversa del gas. Es decir, a bajas presiones de gas, que se producen al comienzo del proceso de descongelación, el efecto de relajación inducida por inhomogeneidad (gradientes de campo) es más intenso. (La relajación de ^{129}Xe a 101,325 kPa (1 atm) de presión de gas se ha medido a 22 segundos). Este problema se resuelve cerrando las válvulas de aislamiento 35, 37 en el acumulador 30 durante la descongelación inicial. Cuando se descongela el gas polarizado, se acumula presión rápidamente, excediendo rápidamente de 1 atm y más. Cuando aumenta la presión, el ^{129}Xe sólido restante entra en forma líquida en vez de forma gaseosa. El ^{129}Xe líquido es relativamente insensible a gradientes de campo magnético, relajación por inhomogeneidad, efectos de temperatura e intensidades de campo magnético, haciéndolo así una de las formas más robustas de ^{129}Xe hiperpolarizado. El ^{129}Xe líquido tiene tiempos de relajación típicos de aproximadamente 20-30 minutos. Véase K.L. Sauer y otros, Laser Polarized Liquid Xenon, Appl. Phys. Lett. (Aceptado 1997). El estado líquido también contribuye a distribuir rápidamente calor al ^{129}Xe sólido restante, acelerando así más la descongelación.
La camisa de calentamiento 93 también puede mejorar el proceso de descongelación del gas polarizado congelado. Es importante transformar rápidamente el gas polarizado congelado a un estado líquido puesto que los estados sólido y gaseoso de xenón son sumamente sensibles a la despolarización durante la transición. Por ejemplo, cuando se calienta ^{129}Xe sólido o congelado casi a su punto de fusión, el tiempo de relajación se reduce drásticamente de 3 horas a 77ºK a sólo unos pocos segundos cerca del punto de transición de fase. Además, la relajación gaseosa a temperaturas justo por encima de la temperatura de sublimación de ^{129}Xe es rápida, con una dependencia exponencial de la temperatura. Por ejemplo, el tiempo de relajación de ^{129}Xe gaseoso en una superficie dada a 160ºK es solamente 3% mientras a 300ºK en la misma superficie. Además, durante las primeras etapas de descongelación cuando la presión de gas Xe es baja, el ^{129}Xe gaseoso es más susceptible a los problemas de inhomogeneidad antes explicados.
Se ha suministrado convencionalmente calor al exterior del acumulador durante la descongelación. Cuando el gas hiperpolarizado congelado comience a descongelarse, se congelará de nuevo, tal como en el punto de salida del recorrido de flujo primario 80. Esto podría hacer que el ^{129}Xe se congele y descongele más de una vez durante el proceso de descongelación, además de hacer que el gas polarizado producido pase más tiempo alrededor de la fase de transición sensible donde la relajación es más rápida.
Ventajosamente, la camisa de calentamiento 93 del acumulador 30, 30' descrito anteriormente puede mejorar más el proceso de descongelación. Volviendo a la figura 8, la camisa de calentamiento o canal de flujo secundario 95 del acumulador puede suministrar calor al área de boquilla 110 del acumulador 30 durante el proceso de descongelación. Preferiblemente la zona inferior del recorrido de flujo o el área de boquilla se precalienta antes de la descongelación de manera que la boquilla 110 esté por encima del punto de congelación del gas polarizado antes de aplicar calor a la superficie exterior del depósito 75. Se prefiere además, que durante la descongelación, se suministre calor al exterior y al interior del dedo frío, aplicándose preferiblemente calor interior a la región inferior del acumulador, es decir, el área de boquilla. La boquilla 110 se calienta así por el fluido circulante (preferiblemente gas) en la camisa de calentamiento 93. Se puede usar varios gases calientes, como los descritos anteriormente. Preferiblemente, el caudal del gas caliente es más alto que el usado durante el proceso de acumulación, tal como aproximadamente 39,329-94,39 ml/s (5-12 pie^{3}/hora), y más preferiblemente a aproximadamente 78,658 ml/s (10 pie^{3}/hora) durante la descongelación. Igualmente, las temperaturas preferidas del gas "caliente" suministrado durante la descongelación son a condiciones ambiente típicas controladas internamente (por ejemplo, gases a temperatura ambiente tal como 20-25,6ºC (68-78ºF)).
Para un acumulador "transportado" 30, una vez que todo el ^{129}Xe es líquido, se abre preferiblemente la válvula de aislamiento 35 que conduce a una cámara rarificada o bolsa unida u otros medios de suministro o recipiente de recogida. Naturalmente, se puede abrir cualquiera de las válvulas 35, 37 dependiendo de dónde se una el vaso o receptáculo de distribución (no representado). Para el acumulador "a bordo", la válvula de aislamiento 37 es la válvula operativa como se ha descrito anteriormente. La repentina disminución de la presión hace que el ^{129}Xe líquido sea gaseoso y salga rápidamente del acumulador 30, gastando por ello ventajosamente una cantidad mínima de tiempo en el campo magnético inhomogéneo en el estado gaseoso. Igualmente, si se emplea la liberación "a bordo", se abre la válvula de aislamiento 37 y el gas fluye por la válvula 47 y sale por la salida 50 a un vaso de distribución. Los métodos convencionales de descongelación incluyen abrir el dedo frío (acumulador) al vaso a llenar e iniciar después la descongelación. Esta descongelación podría tardar típicamente 30 segundos o más en terminarse para cantidades de dosis únicas de paciente. En comparación y ventajosamente, el método de descongelación de la invención se puede terminar en menos de aproximadamente 10 segundos, y preferiblemente en menos de aproximadamente 5-6 segundos para cantidades de dosis única de gas hiperpolarizado congelado. Una dosis típica para un paciente es desde aproximadamente 0,20-1,25 litros ("l") y preferiblemente de aproximadamente 0,5-1,0 l. El peso de conversión es aproximadamente 5,4 gramos/l de Xe. Igualmente, la densidad de Xe sólido es de aproximadamente 3,1 g/cm^{3}, y un volumen correspondiente de polarizado congelado Xe para un paciente se puede calcular a aproximadamente 1,8 cm^{3}/l.
Ventajosamente, las observaciones del método de descongelación de la invención indican un factor de fiabilidad de aproximadamente 2 o más de mejora del nivel de polarización final de ^{129}Xe descongelado en comparación con el descongelado por métodos convencionales. Con referencia ahora a las figuras 12A y 12B, la figura 12A ilustra los resultados de polarización obtenidos por una técnica de descongelación convencional mientras que la figura 12B ilustra gráficamente resultados obtenidos por el método de descongelación mejorado descrito anteriormente. Cada gráfico representa la polarización porcentual de ^{129}Xe después de la descongelación en relación a la velocidad total de flujo de gas a través de la pila de polarización 22 (y por lo tanto la unidad completa). El caudal de ^{129}Xe correspondiente es el porcentaje de la mezcla total de gas. En el ejemplo representado, ^{129}Xe constituye aproximadamente 1% de la mezcla total de gas, así el caudal de ^{129}Xe es el caudal total dividido por 100. Por ejemplo, a un caudal de 1000 cm^{3} estándar (centímetros cúbicos estándar por minuto ("sccm")), se acumula típicamente ^{129}Xe a la velocidad de 10 cm^{3} por min o 600 cm^{3} por hora. Se desean caudales más altos para incrementar la producción de ^{129}Xe. Sin embargo, la polarización se reduce a caudales más altos. Esto se atribuye al tiempo reducido que el ^{129}Xe pasa en el tiempo de residencia en contacto de intercambio de espín con el Rb bombeado ópticamente a caudales más altos. Es decir, el tiempo de residencia de Xe en la pila 22 se puede describir en general matemáticamente como igual a la presión de gas multiplicada por el volumen de pilas dividido por el caudal (PV/m).
La figura 12A muestra que la técnica de descongelación convencional produce resultados de polarización dispersados que se atribuyen a pérdidas de polarización aleatorias que se producen principalmente durante la descongelación. La figura 12B representa las características de bombeo óptico antes descritas y produce ahora niveles predecibles de polarización post-congelación correspondientes al caudal de acumulación.
Como se representa en la figura 12B, al descongelar según el mejor método antes descrito (presionización baja y con calentamiento interno y externo), para caudales inferiores a 1000 sccm (o cm^{3}/min estándar), se logran fiablemente niveles de polarización después de la descongelación superiores a 10%. Los resultados mostrados en esta figura representan un volumen de 190 cm^{3} de ^{129}Xe (y niveles de polarización de Rb de aproximadamente 0,25-0,49). Naturalmente, como apreciarán los expertos en la técnica, diferentes volúmenes (es decir, mayores o menores) del gas polarizado tendrán diferentes valores relativos asociados. Por ejemplo, los volúmenes mayores de ^{129}Xe tardan más en polarizar; por lo tanto, a los mismos caudales, la polarización del volumen mayor será menor que la representada en la figura 12B. Expresado de forma diferente, para cantidades más grandes de gas polarizado, la curva de polarización asociada caerá por debajo de los valores mostrados con relación a la de un volumen ejemplar de 190 cm^{3} de gas polarizado, como se representa en la figura 12B. Además, típicamente, las cantidades más grandes de gas polarizado pueden dar lugar a una pérdida más grande atribuida a relajación de fase sólido. Sin embargo, como representa el gráfico, el método de descongelación de gas congelado da lugar a una curva de polarización post-congelación que sigue de forma predecible la curva de polarización inicial. En contraposición, como representa la figura 12A, el nivel de polarización convencional después de la descongelación es altamente impredecible, con una media de aproximadamente 4,4%. En efecto, a aproximadamente 900 sccm (cm^{3}/min estándar), el punto de polarización es aproximadamente 2,16% mientras que la predicción es 18,7%, haciendo así que la fracción de retención baje 12,2% (perdiendo aproximadamente 87,8% de la polarización inicial). A diferencia del método convencional, el método produce niveles de polarización después de la descongelación que corresponden de forma predecible al caudal usado durante la acumulación.
La figura 13 ilustra niveles de polarización experimentales y teóricos antes y después de la descongelación. La curva de flujo experimental muestra los niveles de polarización logrados antes de la congelación (el nivel medido cuando el ^{129}Xe sale de la pila de bombeo 22). Los puntos de datos experimentales en el gráfico representan puntos de datos descongelados logrados descongelando el gas polarizado congelado recogido según la presente invención. Los datos experimentales confirman que los métodos mejoran la predicibilidad de la fracción de retención de polarización ahora alcanzable y aumentan el valor de la fracción de retención de polarización (cantidad de polarización retenida después de la descongelación con relación a la alcanzada antes de la congelación).
La figura 13A ilustra una curva de flujo usada para predecir niveles de polarización esperados a partir de xenón polarizado descongelado producido, representando esta curva niveles de polarización post-descongelación alcanzables a falta de pérdidas de polarización durante la congelación y descongelación. Esta curva incluye pérdidas de relajación normal de Xe sólido (que se pueden estimar en general en aproximadamente 2 horas a 77ºK). Como se representa, los caudales bajos tienen típicamente una pérdida de polarización relativamente grande asociada. Esto es debido a que, a caudales bajos, el tiempo de acumulación puede ser extensivo y el hielo "T1" desempeña entonces un papel mayor o más dominante. Como se representa, la fracción de retención de polarización lograda usando los métodos de congelación y descongelación es superior a 40% para todos los caudales, y la media es aproximadamente 49,9%. Por lo tanto, como se representa en la figura 13A, esta fracción de retención de polarización es sustancialmente insensible al caudal. Los datos indicados a continuación muestran las fracciones ejemplares de retención de polarización ahora alcanzables.
Caudal Polarización (P)_{teor\text{í}a} P_{exper}. Fracción de 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 teórico de polarización de 22,1 y un punto de datos experimentales correspondiente de polarización de 11,18 después de la descongelación. El nivel inicial de polarización (antes de la acumulación/congelación) para este caudal es 22,1%. Por lo tanto, la fracción de retención de polarización después del proceso de congelación/descongelación es 11,18/22,1 o 50,6%. Así, ventajosamente, la técnica de descongelación instantánea retiene al menos 30% del nivel inicial de polarización y en base a estos datos preferiblemente más de 40% del nivel inicial de polarización, y muy preferiblemente más de 45%. Además, la mayor velocidad de retención aumenta el nivel de polarización descongelado en un orden de magnitud (ahora fiablemente y de forma predictiva superior a aproximadamente 10% en contraposición a los niveles de polarización descongelados convencionales de aproximadamente 2%).
Aunque especialmente adecuado para ^{129}Xe, el método de descongelación instantánea también se puede emplear con éxito con otros gases nobles hiperpolarizados. Además, los expertos en la materia apreciarán que el criógeno usado para congelar el gas polarizado no se limita a N_{2} líquido. Sin embargo, si se utilizan fuentes de refrigeración o criógenos alternativos, los caudales, las velocidades de acumulación, las temperaturas del gas de calentamiento y análogos deberán ajustarse consiguientemente. Además, se desea utilizar fuentes de refrigeración con temperaturas al menos tan bajas como nitrógeno líquido (77K) para recogida del gas polarizado. Las temperaturas inferiores aumentan el tiempo T1 del gas sólido polarizado que da lugar a mayores tiempos de relajación. Por ejemplo, los gases polarizados congelados a temperaturas de nitrógeno líquido tienen un tiempo de relajación de hielo (T1) de aproximadamente 2,8 horas mientras que los gases polarizados congelados a temperaturas de helio líquido tienen un tiempo de relajación de hielo (T1) de aproximadamente 12 días. Por lo tanto, para lograr niveles de polarización más altos después de la descongelación, la descongelación se realiza preferiblemente dentro del período de tiempo T1 correspondiente.
Las figuras 9, 10, y 11 son diagramas de bloques de métodos asociados con la presente invención. El orden de los métodos no tiene la finalidad de limitarse por los números de bloque y el orden mostrado. También se puede incluir pasos operativos adicionales como se ha descrito antes.
La figura 9 muestra pasos para acumular o recoger gas polarizado congelado según una realización de la presente invención. Se dirige una mezcla de gases incluyendo un gas polarizado al recorrido de recogida (Bloque 900). El gas polarizado se recibe en el acumulador en el recorrido 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 inferiores al punto de congelación del gas noble polarizado (Bloque 920). El gas polarizado es atrapado en un estado sustancialmente congelado en el depósito de recogida (preferiblemente un estado congelado sólido total) (Bloque 930). El resto de la mezcla de gases se dirige al canal de salida (Bloque 940). Se calienta una porción del canal de entrada en el acumulador para facilitar el flujo de la mezcla de gases a su través (Bloque 950). El paso de calentamiento (Bloque 950) se realiza preferiblemente introduciendo un gas separado de la mezcla de gases para calentar de forma conductiva una zona predeterminada del canal de entrada, conteniéndose el gas separado aparte de los recorridos de entrada y salida. El gas separado contenido se hace circular después alrededor de una porción del recorrido de entrada para reducir la probabilidad de bloqueo a lo largo del recorrido de entrada atribuido al paso de exposición.
La figura 10 ilustra un método para descongelar gas polarizado congelado. Se ha previsto un depósito hermético que incluye un recorrido interior de flujo y una cámara de recogida para contener gas polarizado congelado (Bloque 1000). El gas congelado se expone a un campo magnético (Bloque 1005). Se calienta una porción del recorrido de flujo interior adyacente a la cámara de recogida (Bloque 1010). También se calienta el exterior del depósito hermético (Bloque 1020). El gas congelado se licua durante los pasos de calentamiento de tal manera que una cantidad mínima del gas polarizado pase a la fase gaseosa (y a la inversa, una cantidad sustancial del gas polarizado pasa directamente a la fase líquido) (Bloque 1030). Preferiblemente, el paso de licuación se realiza cerrando las válvulas de aislamiento y sellando el envase dejando que la presión se acumule a un nivel predeterminado, correspondiendo el nivel al tiempo que tarda en realizar una descongelación "instantánea". Expresado de forma diferente, las válvulas permanecen cerradas durante un período lo más corto que sea posible (como se ha descrito anteriormente, menos de aproximadamente 10 segundos para una dosis única de paciente), correspondiendo el período al tiempo que se tarda en lograr presión de gas sustancialmente completa al abrir la válvula de aislamiento del acumulador. La presión de alivio se puede calcular según una curva de presión de vapor de Xe líquido. Véase V. A. Rabinovich y otros, Thermophysical Properties of Neon, Argon, Krypton, and Xenon (Hemisphere Publishing Corp., Wash, 1988). Se considera que una liberación de presión ejemplar es inferior a aproximadamente 506,625-1013,25 kPa (5-10 atm) (y al menos inferior a aproximadamente 1722,525 kPa (17 atm)) para una acumulación de 0,05 l en un acumulador de 30 cm^{3} a una temperatura inferior a 200 K. Este valor será diferente para diferentes volúmenes de dedo frío, diferentes volúmenes de acumulación, y la temperatura del gas en Xe líquido. La referencia de Sauer y otros, supra, indica que para Xe a 161,4K, P = 81,06 kPa (0,81 atm), y el punto triple 289,7K, P = 5775,525 kPa (57atm), a 240K, P= 4053 kPa (40 atm). Así, como se indica con el Bloque 1040, la presión de gas se libera del depósito hermético tan pronto como se logra el estado líquido. También se prefiere que el interior se caliente como se ha descrito anteriormente.
La figura 11 ilustra un método para prolongar la duración de polarización útil de un gas polarizado producido. Se ha previsto un campo magnético (Bloque 1100). El gas polarizado producido se congela en presencia del campo magnético (Bloque 1110). Se sella una cantidad del gas polarizado congelado en un dispositivo de contención (Bloque 1115). El gas polarizado es descongelado en presencia de un campo magnético (Bloque 1120). Una cantidad sustancial del gas congelado se convierte directamente a la fase líquido en el depósito hermético durante el paso de descongelación (Bloque 1130). Aunque no se muestra en esta figura, se puede emplear otros varios pasos siguiendo las líneas antes descritas. (Por ejemplo, otros pasos pueden incluir, aunque sin limitación, disminuir la cantidad de ^{131}Xe en la mezcla de gas enriquecida, calentar el interior del recorrido de flujo, usar una boquilla para dirigir el flujo de gas, despresionizar el dispositivo de contención abriendo las válvulas que hacen que el líquido sea gas y liberando el gas polarizado a una interface tal como una bolsa u otro dispositivo de administración).

Claims (29)

1. Un acumulador criogénico (30) para recoger gases nobles polarizados congelados, incluyendo:
un canal de flujo primario (80) que tiene extremos opuestos primero y segundo configurados para dirigir gas polarizado a su través;
un manguito externo colocado (103) alrededor de dicho canal de flujo primario (80), teniendo dicho manguito externo (103) un extremo cerrado que define una cámara de recogida (75) colocada debajo de dicho segundo extremo del canal de flujo primario (80); y
un canal de flujo secundario (95) colocado entre dicho canal de flujo primario (80) y dicho manguito externo (103), teniendo dicho canal de flujo secundario (95) un extremo cerrado colocado muy cerca de dicho segundo extremo del canal de flujo primario.
2. Un acumulador criogénico (30) según la reivindicación 1, teniendo dicho canal de flujo secundario (95) una pared interior de forma cilíndrica (93a, donde dicha pared interior (93a) define dicho canal de flujo primario (80).
3. Un acumulador criogénico (30) según la reivindicación 1 o 2, teniendo dicho canal de flujo secundario (95) una pared exterior (93b), donde dicha pared exterior (93b) y dicho manguito externo (103) definen un canal de salida de gas amortiguador (90) entremedio.
4. Un acumulador criogénico (30) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, donde dicho segundo extremo del canal de flujo primario es una boquilla (110).
5. Un acumulador criogénico (30) según la reivindicación 3, incluyendo además válvulas de aislamiento primera y segunda (35, 37) en comunicación con dicho canal de flujo primario (80) y dicho canal de salida de gas amortiguador (90).
6. Un acumulador criogénico (30) según la reivindicación 5, donde dicha primera válvula de aislamiento (35) está colocada en el primer extremo de dicho canal de flujo primario para controlar el flujo de un gas deseado a su través.
7. Un acumulador criogénico (30) según la reivindicación 5, donde dicha segunda válvula de aislamiento (37) está colocada espaciada de dicho extremo cerrado del manguito externo (103) a lo largo de dicho canal de salida de gas amortiguador (90) para sellar soltablemente y controlar la liberación de gas a su través.
8. Un acumulador criogénico (30) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, incluyendo además una entrada de canal de flujo secundario (125) y un orificio de ventilación (126), y un conducto (145) en comunicación de fluido con dicha entrada (125), donde dicho conducto (145) se extiende a lo largo de una porción principal de dicho canal de flujo secundario (95) para dirigir por lo tanto el flujo de un gas caliente a una zona predeterminada de dicho canal de flujo primario (80).
9. Un acumulador criogénico (30) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en combinación con una unidad hiperpolarizadora (10), donde dicho acumulador (30) está configurado para la liberación soltable de dicho unidad hiperpolarizadora (10).
10. Un acumulador criogénico (30) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, donde dicho canal de flujo secundario (95) está separado de dicho canal de flujo primario (80).
11. Un acumulador criogénico (30) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, donde dicho canal de flujo secundario (95) es una camisa de calentamiento (93) configurada para que circule un gas a su través.
12. Un acumulador criogénico (30) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, donde dicho canal de flujo secundario (95) incluye un conducto que se extiende longitudinalmente (145) configurado para dirigir un gas a dicho extremo cerrado del canal de flujo secundario (95) adyacente a dicho segundo extremo de dicho canal de flujo primario (80).
13. Un acumulador criogénico (30) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, incluyendo además al menos un imán de campo permanente (40) colocado junto a dicha cámara de recogida (75).
14. Un acumulador criogénico (30) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, incluyendo además una fuente de refrigeración criogénica (42) asociada de forma operativa con dicha cámara de recogida (75).
15. Un acumulador criogénico (30) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 14, donde dicho canal de flujo secundario (95) está configurado para que circule nitrógeno gaseoso a temperatura ambiente a su través.
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16. Un acumulador criogénico (30) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15, incluyendo además dicho acumulador (30) al menos un agujero de ventilación (126) del canal de flujo secundario en comunicación con dicho canal de flujo secundario (95).
17. Un acumulador criogénico (30) según la reivindicación 16, incluyendo además una válvula de ajuste de flujo asociada de forma operativa con dicho agujero de ventilación (126) para regular el flujo de un gas en él con el fin de regular por lo tanto el calor suministrado a al menos una porción de dicho canal de flujo primario (80).
18. Un acumulador criogénico (30) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17, donde dicho manguito externo (103), dicho canal de flujo secundario (95), y dicho canal de flujo primario (80) están alineados radialmente a lo largo de una porción principal de la longitud de dicho acumulador (30).
19. Un acumulador criogénico según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 18, donde dicho segundo extremo está configurado como una boquilla de flujo (110), y donde dicha boquilla de flujo (110) está alineada y colocada junto a dicha cámara de recogida (75).
20. Un acumulador criogénico (30) según la reivindicación 19, incluyendo además una fuente de calor (93) colocada entre dicho canal de flujo primario (80) y dicho manguito externo (103) antes de dicha cámara de recogida (75), estando dispuesta dicha fuente de calor para proporcionar calor a dicha boquilla de flujo (110).
21. Un acumulador criogénico (30) según la reivindicación 20, donde dicha fuente de calor (93) incluye un conducto (145) para dirigir un flujo de un gas predeterminado a dicha boquilla de flujo (110).
22. Un método para recoger gas noble polarizado congelado, incluyendo los pasos de:
dirigir una mezcla de gases incluyendo un gas noble polarizado y un segundo gas a lo largo de un recorrido de recogida y a un acumulador (30);
recibir la mezcla de gases al acumulador (30) colocado en el recorrido de recogida, teniendo el acumulador un canal de entrada (80), un depósito de recogida (75), y un canal de salida (90);
enfriar el depósito de recogida (75) a temperaturas por debajo del punto de congelación del gas noble polarizado;
capturar gas noble polarizado en un estado sustancialmente congelado (100) en el depósito de recogida (75);
pasar el resto de la mezcla de gases incluyendo el segundo gas al canal de salida (90); y
calentar una porción del canal de entrada (80) en el acumulador (30) para facilitar el flujo de la mezcla de gases a su través.
23. Un método según la reivindicación 22, donde dicho paso de calentamiento incluye los pasos de:
introducir un gas separado de la mezcla de gases para calentar una zona predeterminada del canal de entrada (80), conteniéndose el gas (95) separado de los recorridos de entrada (80) y salida (90), y el depósito de recogida (75);
circular el gas separado de la mezcla de gases alrededor de una porción del recorrido de entrada (80) para proporcionar calor conductor a porciones seleccionadas del recorrido de entrada (80) y reducir la probabilidad de bloqueo a lo largo del recorrido de entrada (80) atribuido a dicho paso de enfriamiento.
24. Un método según la reivindicación 22 o la reivindicación 23, donde dicho paso de dirección incluye fluir la mezcla de gases a través de una boquilla direccional (110) al depósito de recogida (75).
25. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 24, donde dicho paso de enfriamiento incluye sumergir el depósito inferior (75) en un baño criogénico líquido (43).
26. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 25, donde dicho paso de calentamiento se realiza por los pasos de:
circular gas nitrógeno a temperatura ambiente alrededor del exterior de al menos una porción del canal de entrada (80); y
capturar el gas nitrógeno y ventearlo a la atmósfera alejándolo del gas noble acumulado congelado (100).
27. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 26, incluyendo además los pasos de:
acumular gas noble polarizado (100) en el depósito de recogida (75); y
exponer el gas a un campo magnético durante la acumulación.
28. Un método según la reivindicación 27, incluyendo además los pasos de:
quitar el acumulador (30) de una porción del recorrido de recogida y
transportar el acumulador (30) con gas polarizado congelado (100) en presencia de un campo magnético a un lugar remoto.
29. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 22 a 28, donde dicho gas polarizado es ^{129}Xe.
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