专利名称：利用通过具有轨道角动量的光超极化液体或固体的磁共振成像的制作方法
技术领域：
本申请涉及诊断成像领域。本申请尤其适用于对受检者皮肤表面附近或可用探针 或导管进入的区域的磁共振成像，并将具体参考这种情况加以描述。不过，要认识到本申请 还适用于其他区域或范围、对比度增强的成像、光谱分析，并且不限于上述应用。
背景技术：
常规的磁共振成像(MRI)使用强磁场对准，即极化质子的自旋矢量，尤其是水分 子中氢核内部的质子的自旋矢量。系统使用RF激励脉冲将自旋矢量冲击得不再对准，在它 们重新对准时，它们产生共振信号，使用共振信号来成像。不过，这种方式仅能够使MRI扫 描机极化一小部分水质子；例如，在室温下，1. 5特斯拉的磁场将仅极化一百万质子中的大 约三个质子。这样的低效率给分辨率、灵敏度和MRI的动态对比度范围带来了限制。MRI得 到广泛应用，部分是由于在表征和区分软组织时其对组织成分的化学特性灵敏。其他应用 包括小分子和生物分子的流体化学分析(例如，蛋白质_配位体交互作用、蛋白质折叠、蛋 白质结构验证和蛋白质结构确定)、固态分析(结构的)、时变系统的动力学等。常规MRI的特征在于，建立高度均勻的静态主磁场(也称为Btl磁场)，在对应的窄 带共振频率下建立核自旋进动。缺点在于典型的装置需要大磁体、梯度场线圈和射频(RF) 线圈，使得系统笨重、复杂和昂贵。存在微型MRI系统，克服了这些缺点中的一些。在一个示例中，导管尖端上的永磁 体在导管尖端产生静态磁场。微型MRI系统还具有内置于尖端中的高质量接收线圈，例如 Helmholtz微型线圈。这样能够对血管进行局部成像而不需要外部磁体或线圈。梯度线圈 便于不用梯度线圈执行傅里叶图像或逐点成像/分析。一些优点是成本低、可接近患者、与 现有工具兼容以及分辨率高。缺点包括前面提到的小成像区域以及每百万个质子仅极化几 个的问题，但这些问题部分通过接近共振质子而得到平衡。使用圆偏振光的自旋交换光泵浦技术能够将稀有气体偶极子极化增大到接近 100%，亦即，在有限的区域内对这些气体超极化。不过，这些方法仅仅表现出适于对低密度 稀有气体(例如氙或氦)在受控实验室条件下进行超极化。已经将这种技术用于像肺气道 的对比度增强MRI的应用；受检者吸入准备的气体(呼吸已经用超极化的氙替换了一些氮 的空气)，然后收集MR数据。现有方法未想到对液体或固体进行超极化，这能够使与血液和 生物组织相关联的标准MR成像信号得到增强。本申请提供了克服上述问题和其他问题的新的改进的光学极化设备。
发明内容
根据一个方面，提供了一种基于光的超极化设备。光源发射光。相位全息图为所 述光赋予轨道角动量。空间滤波器滤除所述光的一部分并允许所述光中具有预定量轨道角 动量的一部分通过。至少一个光学元件将通过所述空间滤波器的光引导到要被超极化的感兴趣区域。根据另一方面，提供了一种磁共振系统，包括基于光的超极化设备，其通过转移的 轨道角动量对选定的偶极子进行极化。RF系统在被极化的偶极子中诱发共振并接收共振信号。根据另一方面，提供了一种表面探头。光输出单元将光引导至穿透患者的组织。基 于光的超极化系统为所产生的光赋予轨道角动量。已被赋予轨道角动量的光被释放通过光 输出单元，以对患者体内的选定偶极子进行极化。根据另一方面，提供了一种导管。细长部分终止于工作端中，所述工作端配置用于 插入患者体内。基于光的超极化系统为所产生的光赋予轨道角动量。已被赋予轨道角动量 的光被释放通过光输出单元，以对患者体内的选定偶极子进行极化。根据另一方面，提供了一种共振成像方法。通过转移的轨道角动量对选定偶极子 进行极化。在被极化的偶极子中诱发共振。接收共振信号。一个优点是能够在不借助化学造影剂的情况下使用核共振对血液更为有效地成像。另一个优点是改善了对受检者的可接近性。另一个优点在于成本更低。另一个优点在于提高了共振信号强度。另一个优点在于改善了分辨率。一些实施例的另一个优点是取消了大磁场和用于产生大磁场的关联硬件等。在阅读并理解了下述详细说明的情况下，本领域普通技术人员将认识到本发明的 其他优点。
在下文中将参考附图基于下述实施例通过举例的方式详细说明这些和其他方面， 其中图1是分子与入射光子交互作用的示意图；图2是根据本申请用于产生被赋与轨道角动量的偏振光束的设备的光路图；图3是根据本申请用于为入射光赋与轨道角动量的计算机产生的相位全息图的 放大图；图4是在光束通过图3的相位全息图之后其衍射投影；图5示出了重叠在图4的衍射投影上的空间滤波器；图6是根据本申请的磁共振成像装置的示意图；图7是根据本申请承载被赋与轨道角动量的光的导管的剖视图，该导管可以被插 入患者体内。在各幅图中采用的对应附图标记表示所述附图中的对应元件。
具体实施例方式轨道角动量(OAM)是所有携带方位角相位的光的固有属性，与绕其限定OAM的轴 的选择无关。在与电子上不同且孤立的系统交互时，例如与自由原子或分子交互时，可以将OAM从光转移到该物质。各种实验都曾使用过被赋予OAM的光与物质的交互，例如，光镊子、高吞吐量光通 信信道、光加密技术、光冷却(Bose-Einstein凝聚)、光子与OAM的纠缠以及分子量子数与 交互光子的OAM的纠缠。因为角动量是守恒量，被吸收光子的OAM完全被转移到交互的分 子。结果，受影响的电子状态达到其饱和自旋态，分子关于其自身质心的角动量增大并沿着 入射光的传播轴取向，而且分子的磁子进动运动也沿着入射光的传播轴取向。这些效应使 得能够通过利用承载自旋和OAM的光辐照液体内部的核子来对其进行超极化。对电磁场的分析表明有电磁能的流动，一个分量沿着光束传播矢量移动，第二个 分量绕光束传播轴旋转。第二分量与电势矢量绕光束传播的角度变化成正比。这是有意义 的，因为转动能流动正比于1、0AM值，并且转移到光与之交互的分子的转动能随着OAM的值 而增大。光承载的自旋和OAM被分子吸收。由于角动量是守恒量，因此在吸收和发射辐射 期间系统(辐射和物质二者)的总角动量不变。在光子被原子吸收时，其角动量被转移到 原子。则原子的所得角动量等于其初始角动量加上所吸收光子的角动量的矢量和。参考图1，在光子10与分子12交互时，仅电子14的OAM直接耦合用于光跃迁。不 过，不同类型的角动量通过各种交互而彼此耦合，所述各种交互允许极化从光子10通过电 子轨道14流到核自旋16、电子自旋18和分子旋转20储藏(reservoir)，如图1所示。光 子10和分子12之间的交互的幅度正比于光子10的0ΑΜ。结果，分子自旋值和取向变化，以 沿着光的传播方向对准，并沿着同一方向对准分子核。分子的动量被改变，即通过被赋与自 旋和OAM(正比于光的OAM含量)的光在沿着入射光传播轴的方向上对准它们。在一些实 施例中，如上所述，申请人用被赋与OAM的电磁辐射补充或替代常规MRI中的Btl场的作用。现在参考图2，示出了用于为光赋予OAM的光学元件的示例性布置。要理解，可以 为任何电磁辐射赋予0ΑΜ，未必仅仅是可见光。所述实施例使用可见光，可见光与感兴趣分 子交互作用，并且对活组织没有破坏作用。不过，也预期超过或低于可见光谱的光/辐射。 白光源22产生可见白光，将可见白光发送到光束扩展器24。在备选实施例中，如果认真选 择，可以使用光源的频率和相干性操纵信号，但这种精确手段不是必需的。光束扩展器包括 用于将发射光准直成窄光束进入准直器25i、凹面或色散透镜252、重聚焦透镜253和出射准 直器254，通过出射准直器254发射频率色散最小的光。在一个实施例中，出射准直器254将 光束窄化成Imm的光束。在光束扩展器24之后，光束被线偏振器26及其后面的四分之一波片28圆偏振。 线偏振器26获取非偏振光并为其赋予单一的线性偏振。四分之一波片28对线偏振光移相 1/4波长，对其进行圆偏振。使用圆偏振光不是必需的，但具有极化电子的额外优点。接下来，使圆偏振光通过相位全息图30。图3中示出了相位全息图30的示例。相 位全息图30为入射光束赋予OAM和自旋。OAM的值“1”是取决于相位全息图30的参数。 尽管在理论上更高的1值是可能的，但在一个实施例中，为入射光赋予OAM值1 = 40。相 位全息图30是计算机产生的元件，物理地实现于空间光调制器中，例如，1280X720像素， 20Χ20μπι2，单元间隙为Ιμπι的硅基液晶(LCoS)面板。或者，可以在其他光学器件，例如 柱面透镜或波片的组合中实现相位全息图30。空间光调制器的额外优点是可以利用发送到 LCoS面板的简单命令加以改变，甚至在扫描期间也是这样。
并非通过全息片30的所有光都被赋予了 OAM和自旋。现在参考图4，示出了通过 全息片30的光的投影。通常，在具有相同相位的电磁波通过孔径时，距孔径一些距离它被 衍射成同心圆图案(艾里图案)。中间的亮斑(艾里斑)32代表0级衍射，在这种情况下， 即没有OAM的光。与亮斑32相邻的圆34代表承载OAM的不同谐波的衍射光束。因为在远 离光束中心的点或在光束中心OAM与分子交互的概率降低到零，所以会出现这种分布。在 与最大场分布对应的半径上，即针对靠近艾里斑的圆，出现交互的最大机会。因此，利用半 径尽可能接近艾里半径的光束获得OAM交互的最大概率。再次参考图2，在全息片后方放置空间滤波器36，以选择性地仅通过具有OAM和自 旋的光。图5中示出了这种滤波器的示例。0级斑32始终出现在可预测的斑点中，于是可 以加以遮挡。如图所示，滤波器36允许具有OAM的光通过。注意，滤波器36还遮挡出现于 亮斑32下方或右侧的圆环。由于系统的OAM是守恒的，因此这束光的OAM与滤波器36允 许通过的光的OAM大小相等方向相反。让全部光通过将会起反作用，因为转移到目标分子 的净OAM将是零。于是，滤波器36仅允许具有一种偏振的OAM的光通过。继续参考图2，使用凹面镜38收集承载OAM的衍射光束并利用快速显微镜物镜40 将其聚焦到感兴趣区域。如果正在使用相干光，反射镜38可能不是必需的。期望更快的透 镜(具有高的f号)来满足束腰尽可能接近艾里斑尺寸的条件。在备选实施例中，可以利 用备选的光波导或光纤替换或补充透镜40。在一个实施例中，使用偏振光来补充现有扫描机的Btl场。在这一实施例中，该光 是平行于Btl场发射的，使得效果彼此补充，亦即，由于Btl场和偏振光的原因，核子沿同一方 向对准。可以使用传统的空间编码和RF激励，不过利用光学对准，共振信号可能强七到八 个数量级，从而获得更大信噪比、更好的信号强度和改善的微米量级的分辨率。或者，沿着 除平行于Btl场之外的方向施加偏振光束，以产生具有不同弛豫取向的并发偶极子。在另一实施例中，典型的B。场完全被光学扰动(optical perturbation)取代。在 这种实施例中，取消了大而复杂的主磁体，极大的解放了空间并使得受检者更容易接近。当 然，在这种实施例中，仅从能够被光学传输系统访问的偶极子接收共振信号。例如，通过由 较弱均质磁体产生的梯度磁场来实现空间编码。或者，以光学方式实现空间编码。沿一个 轴的偏振光用于沿单一方向对准偶极子，而沿另一个轴的光发生器阵列执行空间编码。使 用光来通过相位编码和频率编码对共振进行空间编码。由磁体或光提供频率编码。使用被赋与OAM的光的一种应用是血管成像。可以在图6的针或导管68中实现 前文所述的光发射系统并将其直接插入血流中。在图示的实施例中，将光源22方便地置于 静脉内设备之外并使用光纤向其输送光。然后将导管68插入受检者体内，例如通过股动脉 插入，并推进到感兴趣区域或解剖体。光以类似于常规Btl场的方式对准被照射血管壁或其 他相邻组织中的偶极子。通过用导管68尖端中的RF线圈或外部RF线圈施加RF信号使对 准的偶极子共振。诱发的共振信号被导管尖端中的RF线圈接收以实现高信噪比。也预期 外部RF接收线圈，例如表面线圈。可以以各种方式对共振进行空间编码。在一个实施例中，每次在单个体素中激励 并从单个体素检测共振。在另一实施例中，外部或尖端处的梯度磁场线圈对共振进行相位 和频率编码。在另一实施例中，与尖端相邻的永磁体或磁场线圈对频率进行编码，OAM增强 的光用于相位编码。任选地，极低场磁体提供了与被赋与OAM的诱发的极化对准的弱Btl场。Btl场决定共振频率。Btl场越高，共振频率越高。不过，高的Btl场一般具有高的相关联的磁 体成本和禁止患者接近的更大磁体。在另一实施例中，对流经导管68尖端处的光发射器或表面探头66的血液进行对 准，尤其是超极化，并能够在其流向身体下游部分的同时成像。例如，如果光源照射流经颈 动脉的血液，超极化的血液在脑中的血管中呈现出高的信号强度。因为颈动脉接近表面通 过，因此可以从表面进行照射而无需使用诸如导管的侵入式程序。在这一实施例中，可以使 用偏振光代替或补充常规MRI系统中的传统化学造影剂。使用偏振光不像一些化学造影剂 那样对时间如此敏感，因为通行到患者并最终通行到感兴趣区域的时间不是那么关键。而 且，化学造影剂具有对患者的肾脏和肝脏不利的缺点，因此不使用这种化学造影剂将是有 益的。典型地，使用对磁场响应更敏感的某些偶极子执行磁共振成像。最常用的是水、血 液和其他组织中的氢或质子偶极子和其他有机分子。被赋与OAM的光将与其他偶极子交互 作用，且不限于选定的几个。不过，重要的是光与目标分子交互。可以使用例如红外光来增 大光穿透，以照射真皮下的结构，但以牺牲交互强度为代价。而且，正如前面提到的那样，可 以将OAM赋予任何电磁波，不仅仅是可见光。使用更短波长将带来具有更大的真皮下穿透 的优点，不过也带来穿透辐射可能损伤组织的缺点。在一个实施例中，如图6所示，可以结合磁共振扫描机40使用如上所述的赋与OAM 的光的发射设备。磁共振扫描机40可以是包括垂直主磁体组件42的开放场系统(开放 MRI系统)。主磁体组件42产生沿着成像区域的垂直轴取向的基本恒定主磁场。尽管图示 了垂直的主磁体组件42，但要理解也预期其他磁体布置，例如圆柱形磁体和其他配置。梯度线圈组件44在成像区域中产生磁场梯度以对主磁场进行空间编码。优选地， 磁场梯度线圈组件44包括配置用于在三个正交方向上产生磁场梯度脉冲的线圈段，三个 正交方向通常是纵向或ζ方向、横向或χ方向以及垂直或y方向。在一些实施例中，将主磁 体组件42和梯度场组件44都与光学偏振一起使用。射频线圈组件46 (图示为头部线圈，不过也预期表面和全身线圈)产生射频脉冲， 用于激励受检者的偶极子中的共振。射频线圈组件46还用于检测源于成像区域的共振信 号。射频线圈组件46可用于补充先前建立起偏振的光学扰动。梯度脉冲放大器48向磁场梯度组件44输送受控的电流以产生选定的磁场梯度。 射频发射机50，优选数字射频发射机，向射频线圈组件46施加射频脉冲或脉冲群以激发选 定的共振。射频接收机52耦合到线圈组件46或分立的接收线圈以接收并解调所诱发的共 振信号。为了采集受检者的共振成像数据，将受检者放置于成像区域内部。序列控制器54 与梯度放大器48和射频发射机50通信以补充对感兴趣区域的光学操控。序列控制器54 可以例如产生选定的重复回波稳态或其他共振序列、对这种共振进行空间编码、有选择地 操控或破坏共振、或以其他方式产生受检者的选定磁共振信号特征。所产生的共振信号被 RF线圈组件46检测到，被通信到射频接收机52，被解调并存储于k空间存储器56中。由 重构处理器58重构成像数据以生成被存储于图像存储器60中的一个或多个图像表示。在 一个适当的实施例中，重构处理器58执行傅里叶逆变换重构。所得的图像表示被视频处理器62处理并显示于装备有人类可读显示器的用户界面64上。界面64优选是个人计算机或工作站。除了产生视频图像之外，图像表示也可以 被打印机驱动器处理并打印，通过计算机网络或因特网被传输，等等。优选地，用户界面64 还允许放射科医师或其他操作员与序列控制器54通信，以选择磁共振成像序列、修改成像 序列、执行成像序列等。在图6所示的实施例中，在颈动脉上按压表面探头设备66，表面探头设备66承载 有图2中所示的光学设备，其中该表面探头设备充分靠近颈动脉，使得光学光将穿透到血 液内部。如前所述，光学设备可用于对流经该设备的血液中的分子的核子进行对准或超极 化。然后可以在这些分子流过受检者血流时利用设备40对它们成像。在一个实施例中，在超极化的血液流入脑部和/或在其流出时产生脑部的一系列 体积图像。在另一实施例中，产生或选择单个体积图像，该体积图像示出了脑部中的血流。 该图像能够透视血液进入脑组织、动脉流动、静脉流动等。在另一实施例中，使用插入的导管或针形探头(如上所述)对感兴趣区域上游的 血液进行超极化。而且，如上所述，导管68和主磁体42可以一起工作以将感兴趣的偶极子对准，梯 度线圈组件44可以提供空间编码，并且RF线圈系统46能够激发和接收共振。在另一实施例中，参考图7，超极化设备完全包含在导管68系统之内。导管68包 括细长部分70和配置用于插入患者体内的工作端72。细长部分70包括光纤或其他光导 管以从光源22向工作端72传送光。导管68包括在工作端进行磁共振成像必需的磁性元 件；工作端包括用于在导管的工作端72产生基本均勻磁场的磁体74、用于利用梯度场对主 磁场编码的梯度磁线圈76以及用于激发和接收磁共振的RF线圈78。在图示的实施例中，通过细长部分70进入的偏振光遇到部分反射板80，部分反射 板80允许一部分光通过，到达第一物镜82。另一部分光被反射到第一反射镜84并反射到 第二反射镜86上，在此其然后通过第二物镜88，第二物镜88与第一物镜正交地取向。其他 光学取向当然也可能实现相同结果，也是可预期的。可以提供机械快门90，从而在不期望正 交取向的光时可以有选择地遮挡它。于是，可以使用来自第二物镜86的光有选择地对由来 自第一物镜82的光极化的偶极子进行光学操控。已经参考优选实施例描述了本发明。在阅读并理解了前述详细说明的情况下，本 领域技术人员可以对其进行修改和变化。这意味着，应当将本发明解读为包括所有此类落 在权利要求及其等同替代的范围内的修改和变化。在权利要求中，不应当将任何放置在括 号内的附图标记解读为限制所述权利要求。“包括”一词不排除存在权利要求列举的元件或 步骤之外的元件或步骤。元件前的单数冠词“一”、“一个”不排除存在复数个这样的元件。 可以利用包括几个不同元件的硬件，也可以利用适当编程的计算机实现所公开的方法。在 列举了几个器件的系统权利要求中，可以在同一个计算机可读软件或同一个硬件内体现这 些器件中的几个。在互不相同的从属权利要求中陈述某些措施不表示不能有利地采用这些 措施的组合。
权利要求
一种基于光的超极化设备，包括用于发射光的光源(22)；用于为所述光赋予轨道角动量的相位全息图(30)；用于滤除所述光的一部分并允许所述光中具有预定量轨道角动量的一部分通过的空间滤波器(36)；以及用于将通过所述空间滤波器的光引导到要被超极化的感兴趣区域的至少一个光学元件(38，40)。
2.一种磁共振系统，包括根据权利要求1所述的基于光的超极化设备，用于通过转移的轨道角动量对选定偶极 子进行极化；以及RF系统(46，50，52)，用于在被极化的偶极子中诱发共振并接收共振信号。
3.根据权利要求2所述的磁共振系统，还包括可以插入患者体内的导管(68)，所述导管(68)包括用于从所述基于光的超极化设备 向所述导管的工作端传送光的光通道。
4.根据权利要求3所述的磁共振系统，还包括用于将不同偏振的光引入所述导管的所述工作端以对所述共振偶极子进行相位编码 的器件。
5.根据权利要求3所述的磁共振系统，还包括用于使所述磁共振系统的检查区域中的所述共振偶极子受到梯度磁场作用的梯度磁 体系统(44，48)。
6.根据权利要求5所述的磁共振系统，其中，所述梯度磁体系统(44，48)与所述工作端 邻近地安装到所述导管(68)。
7.根据权利要求2所述的磁共振系统，其中，所述相位全息图(30)实现在空间光调制 器中。
8.根据权利要求7所述的磁共振系统，其中，所述空间光调制器(30)包括硅基液晶面板。
9.根据权利要求2所述的磁共振系统，还包括 用于为所述光赋予圆偏振的波偏振器(26，28)。
10.根据权利要求2所述的磁共振系统，其中，所述空间滤波器(36)遮挡衍射图案的中 心的、非衍射亮斑，并允许承载单一偏振的轨道角动量的更高阶衍射通过。
11.一种表面探头(66)，包括:用于引导光以穿透患者的组织的光输出单元；以及根据权利要求1所述的基于光的超极化系统，用于为所产生的光赋予轨道角动量，已 被赋予轨道角动量的光被释放通过所述光输出单元，以对所述患者体内的选定偶极子进行 极化。
12.—种导管(68)，包括:终止于工作端(72)中的细长部分(70)，所述工作端(72)配置用于插入患者体内；以及根据权利要求1所述的基于光的超极化系统，用于为所产生的光赋予轨道角动量，已被赋予轨道角动量的光被释放通过所述工作端(72)，以对所述患者体内的选定偶极子进行 极化。
13.根据权利要求12所述的导管，还包括位于所述导管的所述工作端(72)的磁体 (74)。
14.一种共振成像方法，包括通过转移的轨道角动量对选定的偶极子进行极化；以及 在被极化的偶极子中诱发共振并接收共振信号。
15.根据权利要求1所述的超极化设备，还包括波偏振器(26，28)，其包括线偏振器和四分之一波片，用于为所述光赋予圆偏振，并且 其中所述相位全息图(30)实现于硅基液晶面板中，并且至少所述相位全息图(30)、所述空间滤波器(36)和所述至少一个光学元件(38，40)容 纳在针和静脉内导管之一中，并且其中，所述至少一个光学元件包括 显微镜物镜(40)；以及用于将所述光聚焦到所述显微镜物镜(40)上的至少一个凹面镜(38)。
全文摘要
在磁共振成像(MRI)中，利用主磁场对受检者体内的选定磁偶极子进行对准以供后续操控，并使用在这种操控后接收的信号生成受检者的图像表示。一个缺点在于，非常强的磁场也只能使场区域中非常小百分比的偶极子对准。被赋予轨道角动量(OAM)的电磁辐射沿着辐射的前进方向对准偶极子，但偶极子的百分比高得多；可以对准区域中高达100％的偶极子。结果，源自该区域的共振信号比使用传统MRI技术发出的信号强几个数量级。可以为所有电磁辐射，包括可见光赋予OAM并用于对感兴趣区域进行超极化。
文档编号G01N24/08GK101971011SQ200880121251
公开日2011年2月9日 申请日期2008年12月19日 优先权日2007年12月20日
发明者D·R·埃尔戈特, L·R·阿尔布 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司