Berkeley, CA (USA) - Alexander Pines und seine Kollegen haben entdeckt, eine bemerkenswerte neue Wege zur Verbesserung der Vielseitigkeit und Sensibilität der Magnet-Resonanz-Bildgebung (MRI) und die Technologie, auf der sie basiert, (nuclear magnetic resonance NMR).
Pines, eine Vorreiterrolle NMR-Forscher, ist Fakultät Senior Scientist in den Materialwissenschaften Division am Lawrence Berkeley National Laboratory und Glenn T. Seaborg Professor für Chemie an der University of California in Berkeley.
Die neuesten Details der neuen Technik, bekannt als Remote-Erkennung, werden von Pines, Postdoctoral Fellow Song-I Han, und Doktorand Juliette A. Seeley im Journal of Magnetic Resonance.
Remote-Erkennung hängt davon ab, physisch zwischen den beiden grundlegenden Schritte der NMR-, Signal-Codierung und Erkennung - in der Regel, die in den gleichen Instrument - im Hinblick auf anpassen jedem Schritt für die besten Ergebnisse.
mit Laser-polarisierte Xenon-Gas als Medium für die "Erinnerung" die kodierten Informationen und die es mit der Remote-Site-Erkennung, Pines und seine Gruppe erreicht haben, Aufträge-of-Größenordnung Verbesserung der MRI Bildauflösung, plus vielfältig Erhöhungen der NMR-Empfindlichkeit.
"NMR-Kodierung hat Ausnahmecharakter Deckung der chemischen, biologischen und physikalischen Daten von Proben, einschließlich lebender Organismen zu nutzen, ohne sie", sagt Pines, unter Hinweis darauf, dass MRT, einer eng verwandten Technologie, ist gleichermaßen versierte nondestructively Bilder auf das Innere der Dinge. "Das Problem mit dieser vielseitigen Technik ist gering Sensibilität."
"Allerdings", sagt Han, "durch die Trennung der Codierung und Erkennung Phasen der NMR / MRI, können wir gewinnen Daten über die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften der Proben, dass wir einfach nicht bekommen haben zuvor."
Die konzeptionelle Grundlage und die Durchführbarkeit der Fernerkundung wurden früher mit Sitz in Pines Labor von Adam Moul?, Megan Spence, Kimberly Pierce, und Sunil Saxena, zusätzlich zu den Han und Seeley. Die Gruppe berichtet, deren Ergebnisse in der 5. August 2003 Ausgabe der Proceedings der Nationalen Akademie der Wissenschaften.
Saxena, jetzt ein Assistent Professor für Chemie an der Universität von Pittsburgh, bemerkt, dass während der Verwendung zwei verschiedene Stücke von Geräten "counterintuitive mag auf den ersten Blick, in vielen Fällen ist die Verwendung einer Set-up in NMR führt zu einem Unbehagen Ausgleich zwischen einer wirksamen Signal-Codierung und sensiblen Signal-Erkennung.
Durch die Trennung der beiden, nicht nur das Signal Treue werden erheblich verbessert, sondern auch viele neue Regelungen, die viel mächtiger und empfindlichen Nachweis-und Codier-Methoden und Grundsätze ins Auge gefasst werden kann. "
Die grundlegenden Schritte
NMR-und MRT-Arbeit, da viele Atomkerne haben magnetische Momente, die wie Spielzeug bar Magnete mit Nord-und Südpol. In einem Magnetfeld diese Spinnerei Kerne orientieren sich entlang der Feldlinien, mit Spins nach oben oder unten. Etwas mehr Energie ist erforderlich, um den Spin-down-Zustand.
In der Phase-Kodierung, eine Radiofrequenz (RF)-Puls auf die Energie-Unterschied zwischen den beiden Staaten klopft das Ziel Kerne atilt, was ihre Spin Achsen zu precess rund um die Feldlinien wie Off-Center-Spielzeug-Kreisel.
Die genaue Präzession Satz ist charakteristisch für jedes chemische Arten - allgegenwärtig Wasserstoff ist die am häufigsten verwendeten Arten in der NMR-und MRT - und wirkt sich auch auf die chemischen und physikalischen Umgebung.
Für MRT, ein extra Schritt kodiert zusätzliche Daten. Zusätzlich zu den homogenen Magnetfeld angeordnet sind, zusätzliche Magnete sind sich über kurz auf überlagern Felder, die stärker in eine Richtung als die anderen. Wenn der Ziel-Kerne sind, die HF-Impulse, die Unterschiede in der Feldstärke spiegeln sich in veränderten Winkel und Geschwindigkeiten der Präzession.
Zusammen mit dem Zeitplan für die Impulse, die Steigung Felder geben jedem die Spinnerei Kern über einen einzigartigen Satz von entsprechenden Koordinaten auf seinen Standpunkt.
Während der Erkennung Phase, die Netto-magnetische Moment des Spinnerei-Kerne wird gemessen und analysiert, um Informationen über die chemische Umgebung. In MRT die Magnetisierung von jeder Charge eines Spins durch einen Zug der Radiofrequenz-Pulsen gemessen wird, die ergibt die räumlichen Eigenschaften der Probe.
Viele Faktoren wirken sich auf die besten Wege zu kodieren und Aufdeckung von Informationen zu einem bestimmten Muster, unabhängig davon, ob es sich um ein lebender Organismus, eine Stichprobe von Gewebe auf eine Folie, ein Gas, Flüssigkeit, oder mineralischen Probe, oder sogar eine feste Oberfläche.
Während der Codierung, die HF-Spule muss von der gleichen Dimension wie die Probe und oft umgibt sie, darüber hinaus die wichtigsten Magnet muss groß genug, um zu baden der Probe in einem Magnetfeld, dass ist in der Regel sehr stark. In Krankenhäusern, zum Beispiel, MRI Geräte groß genug, um die Kopf-oder Lungen ist sperrig und teuer.
Für beide Codierung und Erkennung, der Anteil der Ziel-Kerne in der Probe ist ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt. Wenn die Probe ist groß, aber der Anteil der Ziel-Kerne ist klein, dieses kleine "Füll-Faktor" sorgt für ein schwaches Signal.
Polarisierung - der Unterschied in der Zahl der Spin-up-versus Spin-down-Kerne - ist auch von entscheidender Bedeutung. Selbst in einem starken Magnetfeld, das mehr als Spin-up-Wasserstoff ist im besten Fall 1 in 100.000.
Xenon-129, im Gegensatz zu Wasserstoff, kann optisch "hyperpolarisiertem", bevor sie in die Stichprobe einbezogen wurden, wo ihre Kerne Interaktion mit der Umgebung zu kodieren NMR-und MRT-Informationen. Da Xenon ist ein Edelgas, chemisch inert und ungiftig ist es ideal für viele Anwendungen in der Biologie. In hyperpolarisiertem Xenon etwa 20 Prozent der Kerne sind Spin-up, "so dass wir nicht alle, die Abfall-Spins," Han Bemerkungen.
Für eine optimale Signal-Codierung, dann, ein NMR / MRI-Set-up Mai auch einen großen HF-Spule und ein starkes Magnetfeld, während die beste Erkennungsrate Set-up für die gleiche Probe könnte ein empfindlicher Magnetfeld und eine kleinere HF-Spule -- - Oder sogar ein supersensitive, Nicht-MRT-Detektor wie eine supraleitenden Quanten-Interferenz-Gerät (SQUID) oder ein Laser-Magnetometer.
Umgekehrt, schwache Magnetfelder könnte ein Vorteil für die Kodierung in einigen Fächern, zum Beispiel Patienten mit Herzschrittmachern oder Metall-Implantate. Signale codiert in einem schwachen Feld kann nur wiederhergestellt werden durch eine High-Feld-Detektor ausgestattet ist.
"Remote-Erkennung ermöglicht es uns, kombinieren die Fähigkeit zu erhalten, reichen Informationen über eine Vielzahl von interessanten Proben mit empfindlichen Nachweis," sagt Seeley. "Dies ist möglich, weil Kernspins in der Lage sein, behalten Erinnerung an ihre Umgebung vor. Sie erinnern die Informationen, die codiert in einem Umfeld nicht optimiert für die Erkennung, und später sie erkannt werden können mehr empfindlich. "
Befreiend NMR / MRI, sein Möglichstes zu tun
Saxena beschreibt die erste erfolgreiche Versuch zu beweisen, die Remote-Erkennung Grundsatz: "Wir waren in der Lage zu zeigen, die eher fantastische Vorstellung, dass ein Bild von einer Probe Zelle zu erreichen Sättigende es mit Xenon-Gas in ein Spektrometer und dann Verschieben der Gas -- durch so viel wie 15 Fuß - auf ein anderes Spektrometer für Signal-Erkennung.
Trotz der langen Trennung und Fahrzeit, die Xenon-Gas getreu erinnert die Form der Probe Zelle. "
Vor kurzem Seeley, Han, und Pines haben gezeigt, Remote-Erkennung von MRT poröser Proben mit höherer Auflösung, wieder mit Xenon-Gas, um das Signal zu einem Detektor von optimalen Design. Die Xenon ist optisch hyperpolarisiertem, dann in die Codierung Kammer, wo es fließt durch die Hohlräume in der Probe.
Da die Probe ist umgeben von einem großen Radiofrequenz-Spule, die Füllung Faktor ist schlecht. Mit dem kodierten Informationen, die Gas-Ströme auf die Erkennung Kammer. Da Xenon hat eine lange Spin-Entspannung Zeit, keine Spin-Polarisations-oder Puls-Timing-Informationen verloren gehen während des Transports.
In den letzten Versuch, die verschiedenen Codierung und Erkennung Spulen wurden in der Nähe von einander, aber physisch getrennt, und beide waren praktisch die gleichen starken magnetischen Feld. Mit einem viel kleineren Detektorspule ist die Füllung Faktor wurde stark verbessert: die Spule umgibt, nur das Ziel Kerne, nicht die gesamte Stichprobe.
Encoding und Aufdeckung von NMR / MRI-Signale getrennt macht viele sonst nur schwer oder unmöglich Anwendungen möglich.
Zum Beispiel, Xenon kann aufgelöst werden in chemischen Lösungen oder in der Stoffwechselwege von biologischen Systemen, dann konzentriert, um weitere sensible Erkennung. Da Xenon ist in der Regel nicht in biologische oder geologische Proben, ihre Signal hebt sich deutlich gegen eine geräuschlose Hintergrund.
Andere Carrier-Signal kann auch verwendet werden, für die Remote-Erkennung, einschließlich hyperpolarisiertem Helium-Gas für die medizinische Bildgebung oder flüssigen Öl oder Wasser für geologische Analysen.
Da nur die Träger erreicht den Detektor, alternative Nachweismethoden, unvereinbar mit der Probe, weil sie auch sein mögen aufdringlich oder verlangen Transparenz, kann auch verwendet werden - zum Beispiel, kommen optische Methoden für die Erkennung der winzigen NMR-Signale von lebenden Zellen.
Durch die Freigabe der Erkennung von der Phase beschränkt der Probe Kammer, Remote-Erkennung befreit NMR / MRI-Technologie von ihren Beschränkungen und öffnet ein neues Reich der Möglichkeiten - von Zielvorgaben so groß wie geologische Kern Proben und menschlichen Körpern auf Mikrostrukturen und einzelnen Zellen. Keine andere spektroskopische Bildgebung oder Werkzeug hat eine so reiche Kombination von Fähigkeiten.
Die Berkeley Lab ist ein US-Department of Energy National Laboratory in Berkeley, Kalifornien, USA. Es führt nicht klassifiziert wissenschaftlichen Forschung und wird von der University of California. Besuchen Sie unsere Website unter http://www.lbl.gov.
Kontakt: Paul Preuss, paul_preuss@lbl.gov