专利名称：利用具有轨道角动量的光子的超极化设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种配备有基于光子的超极化设备的磁共振检查系统。
背景技术：
在国际申请PCT/IB2008/055444中描述了这样的磁共振检查系统。已知的磁共振检查系统包括基于光学的超极化设备。特别地，超极化设备生成赋予轨道角动量的光学(例如光线)射束。光线射束的轨道角动量(OAM)与(核子或分子)偶极子(或自旋)耦合以生成(核子或分子)极化(polarisation)。通过RF福射激励这种极化并且在激励的弛豫时生成磁共振信号。从这些磁共振信号重建磁共振图像。因为极化是由光线射束的轨道角动量生成的，因此或者无需外部磁场或者仅需微弱的磁场来生成具有相对高信噪比的
磁共振信号。在已知的基于光学的超极化设备中，当射束直径较小时，OAM交互作用的概率较高。对于光学波长，最大OAM交互作用发生在艾里斑(Airy disk)周围。因此，已知的磁共振检查系统将仅从对象的限制区域获得磁共振信号，所述限制区域是由最小射束直径限制的。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有基于光子的超极化设备的磁共振检查系统，其从待检查对象中的扩展区采集磁共振信号。这一目的是通过本发明的磁共振信号实现的，其包括-RF系统，其用于在极化的偶极子中诱发共振以及从待检查对象接收磁共振信号;-基于光子的超极化设备，其具有-用于发射光子辐射的电磁源；-模式转换器，其向光子福射施加轨道角动量；-空间滤波器，其从模式转换器选择赋予轨道角动量的衍射或折射光子射束，以经由所传递的轨道角动量极化偶极子；-射束控制器，其在扩展目标区上应用赋予轨道角动量的射束。因为射束控制器在扩展目标区上应用具有OAM的光子射束，磁共振信号生成来自扩展目标区的磁共振信号。扩展目标区(大大)大于射束焦斑，例如艾里斑，其中，已知的磁共振信号生成磁共振信号。由模式转换器从来自光子源的电磁辐射的光子射束产生赋予OAM的光子射束。模式转换器例如包括一组柱面透镜，任选以不同角度摆放。或者，模式转换器包括例如为相位板或全息板形式的相位全息图(hologram)。相位全息图还可以由具有空间调制器的计算机生成的全息图形成。这样的相位全息图的非常实际的实施例是由所谓的LcoS (硅基液晶)面板形成的，在所述LcoS面板上生成全息案。射束宽度越小越好，但不必实现最小射束宽度。最终，理论表明，极化的概率与绝对射束宽度成比例。射束的焦斑被以若干种方式横向或沿深度位置两者平移。镜子/聚焦元件可以被旋转或物理平移。可以修改聚焦元件的曲率的半径，使得焦点的深度被移动到不同的深度，射束分裂器或镜子能够沿备选光子路径发送光子射束，每条备选光子路径具有不同的聚焦深度，或者可以修改相位全息图的属性(例如通过使用计算机控制的LCoS面板或使用多相位板)，使得赋予OAM的射束将聚焦在不同的深度。当设计聚焦在不同深度的系统时，任选地选择光源中的(一个或多个)波长以能够穿透预期范围的深度。赋予OAM的光子射束可以是光学射束，即具有在可见辐射范围(例如在380nm和780nm之间)中的波长。具体而言，可以采用具有从400nm(紫外)到1.3i!m(远红外)的范围中的波长的光学辐射。对于从紫外到远红外的范围中的波长而言，可以采用半导体激光(例如基于GaN、GaAs或GaInP)作为电磁辐射的源。光学辐射与待检查材料(例如组织)的分子中的电子轨道交互作用并引起电子自旋取向，光子射束的轨道角动量与分子旋转状态耦合并对所述分子进行取向。因此，超极化得到增强。随后，通过超精细交互作用，电子自旋被传递到材料的原子核。最终，通过RF脉冲激励(“翻转”)超极化的原子核以及在返回(通过进动)优选取向时生成磁共振信号。基于激励电子轨道所需的吸收水平与所需的进入待检查材料(例如组织)内的透射深度之间的适当折衷来选取波长。或者，还可以采用诸如紫外(400nm以下)或红外(780nm以上)的其他波长范围。所有这些范例都由术语光子涵盖。因此电磁源发射具有在这些范围中的任意波长的光子辐射。将参考从属权利要求中限定的实施例进一步阐述本发明的这些方面和其他方面。根据相应的实施例,存在各种原理,所述原理使赋予OAM的光学射束被应用到扩展目标区上并与扩展目标区中的核子或分子偶极子交互作用。扩展目标区可以是待检查对象上面或内部的面积或体积。根据本发明的一方面，在扩展目标区上扫描赋予OAM的光学射束。因此，赋予OAM的光学射束在艾里斑中生成极化，所述艾里斑在目标区上被扫描、即移动。通过这种方式，从目标区中艾里斑的不同位置顺序地采集磁共振信号。在一个实施例中，通过可移动或可旋转的镜子在目标区上扫描赋予OAM的光学射束。不需要采取特别的步骤来确保在通过镜子反射光学射束时保持0AM。入射的角度不是问题。根据本发明的实施例方面，以电子方式控制相位全息图，从而在空间中从相位全息图平移赋予OAM的光学射束。相位全息图用于将例如光学福射的Gaussian (高斯)射束从光源转换成赋予OAM的Laguerre-Gauss (拉盖尔-高斯)光学射束。来自相位全息图的赋予OAM的光学射束的方向取决于全息案。例如，当相位全息图由空间光线调制器LcoS(硅基液晶)面板形成时。这一图案可以电子地进行修改。当入射射束与相位全息图交互作用时，利用OAM产生若干衍射射束(如上所述，空间滤波器被用于选择预期的衍射射束)。修改相位全息图的几何属性使得能够控制衍射图案的几何属性。例如，改变相位全息图的角度，改变衍射射束的角度。而且，可以通过平移LCoS面板上的相位全息图(或者通过仅平移包含“分叉栅格图案”的相位全息图的中心部分)来平移衍射射束。焦斑位置的最终变化是相位全息图属性和光学系统(例如透镜或镜子)的变换的函数。四处移动射束是改变相位全息图的属性，其更适于在小(即亚毫米)区域内四处移动焦斑。对于较大的平移，使用镜子是最佳的。最终，值得注意的是，可以修改相位全息图，使得其包含多个“分叉栅格图案”区域；这将使得能够选择OAM射束的阵列并将其用于极化。
形成相位全息图的LCoS面板可以用与控制常规(计算机)监视器上的图像相同的方式来控制。因此，可以使用软件(例如在Matlab中运行的自定义程序)生成相位全息案以创建图像，然后使用计算机的标准图形硬件在LCoS面板上显示所述图像。当然，一些实施方案使用具有其自己的软件接口、软件驱动和图形控制器硬件的LCoS面板。创建具有相同OAM值的多个OAM射束的相位全息图将具有多于一个分叉栅格图案。源自具有分叉栅格图案的相位全息图的每个部分的有用衍射射束在空间上互不交叠。在本发明的下一方面中，基于光子的超极化设备产生多条赋予OAM的光学射束。由此，这些若干赋予OAM的光学射束在目标区上的多个艾里斑(一个针对赋予OAM的每个光学射束)中生成极化。通过这种方式，从目标区中的不同位置并行采集磁共振信号。在本发明的一个实施例中，基于光学的超极化配备有光源，所述光源发射若干光学射束或光子辐射到相位全息图上。或者，可以提供若干独立光源，以向相位全息图上发射这些光学辐射射束(一个射束来自每个独立光源)。然后，光学辐射射束中的每个使相位全息图发射独立的赋予OAM的光学射束。在另一实施例中，电子地控制相位全息 图以从一条入射的光学辐射射束生成多条光学射束。一般而言，电子控制是相同的，无论相位全息图包含单个或是多个分叉栅格图案。软件简单地生成要在LCoS面板上显示的不同图案。在本发明的另一方面中，控制空间滤波器以选择(一条或多条)适当的赋予OAM的衍射光学射束。这改善了对由(一条或多条)赋予OAM的光学射束达到的扩展目标区的控制。根据本发明的混合应用，并行、即同时生成多条赋予OAM的光学射束，并且在扩展目标区上光栅扫描这种多条赋予OAM的光学射束。可以从多条光学福射射束，或者更一般而言从光子辐射、从源或从光学辐射的单条射束，生成多条赋予OAM的光学射束，到配备有全息案的相位全息图上，其生成若干赋予OAM的光学射束。通过可移动或可旋转的镜子或者通过改变全息案来执行光栅扫描。还通过调整对赋予OAM的光学射束的空间滤波来实现精确的光栅扫描。根据从扩展目标区采集的磁共振信号重建磁共振图像。为此，磁共振信号需要例如通过磁梯度编码的方式进行空间编码。事实上，来自局部极化的空间编码实际上优于其中出于多种原因使用梯度的方法。首先，可以将极化局限于具有亚微型大小尺寸的体素；因此，在这一大小的体素之间的光栅扫描将生成极其高分辨率的图像(当然，可以在利用这一方法的成像时间和体素大小之间做出折衷)。此外，由于这种光栅扫描方法在图像域(非傅里叶域)中收集数据，因此将不会出现特定类型的伪影(例如从下采用、化学位移或运动引起的那些)。或者，可以根据来自目标区的磁共振信号重建磁共振波谱数据。另一方面，一种方法用于通过赋予OAM的光子射束快速在图像切片或体积中施加极化，随后可以使用常规的梯度场完成空间编码。还可以从磁共振信号导出(空间分辨的)MR谱。磁共振图像和MR谱被用于获得关于内部材料成分或目标区的形态学的信息。本发明的另一方面涉及对患者的前列腺的检查。为此，采用OAM光子射束，以超极化前列腺组织内的分子。然后从这些超极化的分子采集磁共振波谱信息并分析所述波谱信息以评估前列腺癌或其他前列腺疾病。优选地，丙酮酸盐、核丝和乳酸盐被超极化，其中，这些成分中的13C核子通过与OAM光子射束交互作用的方式进行超极化。然后评估13C磁共振谱，作为前列腺疾病的指示符。特别地，乳酸盐和核丝水平升高是存在癌变组织的良好指示符。参考下文所述的实施例，以及参考附图，本发明的这些和其他方面得以阐述。
在附图中图I示出了用于为光线赋予OAM的光学元件的本发明的示范性布置；图2示出了上文结合磁共振扫描器描述的赋予OAM的光线发射设备；图3示出了反射式相位全息案(左)和相关联的所产生的衍射射束投影(右)
的范例；图4示出了分叉栅格图案的范例。
具体实施例方式图I示出了用于为光线赋予OAM的光学元件的本发明的示范性布置。应当理解，任何电磁辐射都可以赋予0AM，而不必仅是可见光。所描述的实施例使用可见光。其与感兴趣分子交互作用，并且对活体组织无损伤效应。然而，也想到了可见谱以上或以下的光线/辐射。白光源22产生可见白光，所述可见白光被发送至射束扩展器24。特别地，白光源产生若干同时的可见白光射束。这些若干射束中的每个通过接下来将解释说明的后续光学部件。所述白光源合并源控制以管理若干射束的同时发射。这一源控制是射束控制器的一部分。在备选实施例中，如果经谨慎地选取，光源的频率和相干性能够用于操控信号，但这种精度是不理想的。射束扩展器包括用于将所发射的光线准直成窄射束的进入准直器251，凹面或散射透镜252、重聚焦透镜253，以及通过其发射最小散射频率的光线的出射准直器254。在一个实施例中，出射准直器254将射束变窄为Imm射束。在射束扩展器24之后，通过线性极化器26以及随后通过四分之一波板28圆形(circularly)极化光线射束。线性极化器26获得未极化的光线并给予其单次线性极化。四分之一波板28将经线性极化的光线的相位偏移1/4波长，对其进行圆形极化。使用经圆形极化的光线是不理想的，但其具有对电子进行极化的额外优点。接下来，经圆形极化的光线通过相位全息图30。相位全息图30为入射射束施加OAM和自旋。OAM的值“I”是取决于相位全息图30的参数。在一个实施例中，值为I = 40的OAM被施加到入射光线，尽管更高以及更低的I的值在理论上也是可能的。相位全息图30是计算机生成的元件，并且物理地嵌入在空间光线调制器中，诸如硅基液晶(LCoS)面板，1280X720像素、20X20 ii m2，具有Iiim的单元间隙。或者，相位全息图30可以嵌入在其他光学元件中，诸如柱面透镜与波板的组合。特别地，相位全息图形成若干赋予OAM和自旋的光学射束；例如，由针对入射白光射束的每个的相位全息图生成针对来自白光源22或若干射束的可见白光的平行射束中的每个的一个，如由LcoS面板上的全息案所确定的。相位全息图以及其调节图案的电子电路还形成射束控制器的一部分。空间光纤调制器具有即使在扫描期间可以利用向LCoS发送的简单命令而改变的额外优点。通过改变LCoS面板上的图案，能够光栅扫描赋予OAM和自旋的(一条或多条)光学射束。
通过全息板30的光线并非都赋予OAM和自旋。一般而言，当具有相同相位的电磁波通过孔径时，其被衍射成距孔径(艾里图案)一定距离的中央圆的图案。中间的亮斑(艾里斑)32表示第0级的衍射，在这种情况下，其是没有OAM的光线。邻近亮斑32的圆34表示承载OAM的不同和声学的衍射射束。得到这一分布是因为在远离光线射束的中心或处在光线射束的中心的点中与分子交互作用的概率下降到零。交互作用的最大机会发生在与最大场分布对应的半径上，亦即，接近艾里斑的圆。因此，OAM交互作用的最大概率是利用具有尽可能接近艾里斑半径的半径的光线射束获得的。再次参考图I,在全息板之后放置空间滤波器36,从而有选择地仅通过具有OAM和自旋的光线。第0级的斑32总出现在可预测的斑中，因此能够被阻断。如图所示，滤波器36允许具有OAM的光线通过。应当注意到，滤波器36还阻断亮斑32之下和右侧发生的轨线。因为系统的OAM被保留，这一光线具有等于和相当于滤波器36允许通过的光线的OAM的0AM。使所有的光线通过将是达不到预期的，因为传输到目标分子的净OAM将为零。因
此，滤波器36仅允许具有一个极性的OAM的光线通过。继续参考图1，使用凹面镜38收集承载OAM的衍射射束并利用快速显微物镜40将其聚焦于感兴趣区域。镜子38在使用相干光线时可能不是必须的。为了(光栅)扫描赋予OAM和自旋的光学射束，凹面镜38是可旋转的。因此可移动/可旋转的镜子以及其控制还形成射束控制器的部分。或者，可以将额外的可旋转的镜子放置在出射透镜40的射束中。预期更快的透镜(具有高f 值、聚焦长度对透镜的直径的比率)，以满足射束腰部(waist)尽可能接近艾里斑的大小的条件。在备选实施例中，透镜40可以利用备选光线引导或光线重新放置或补充。在一个实施例中，如图2所不,上述赋予OAM的光线发射设备能够与磁共振扫描器40结合使用。例如，赋予OAM的光线发射设备被并入到磁共振扫描器的结构中，更特别地，赋予OAM的光线发射设备能够被用作分离的模块。磁共振扫描器40可以是开放场系统(开放式MRI系统)，其包括垂直主磁体组件42。所述主磁体组件42产生沿成像区域的垂直轴取向的基本恒定的主磁场。尽管例示了垂直主磁体组件42，应当理解，还想到了其他磁体布置，诸如圆柱形和其他配置。梯度线圈组件44在成像区域产生磁场梯度，以对主磁场进行空间编码。优选地，磁场梯度线圈组件44包括被配置成在三个正交方向，通常为纵轴或z轴、横向或X、以及垂直或y方向，产生磁场梯度脉冲的线圈段。在一些实施例中，主磁体组件42和磁场组件44两者都与光子极化一起使用。射频线圈组件46(图示为头线圈，尽管也想到了表面线圈或全身线圈)生成射频脉冲，用于在受检者的偶极子中激励共振。射频线圈组件46还用于检测源自成像区域的共振信号。射频线圈组件46可以用于补充先前建立的极化的光子扰动。梯度脉冲放大器48将受控的电流递送至磁场梯度组件44以产生所选择的磁场梯度。射频发射器50，优选为数字的，将射频脉冲或脉冲包施加至射频线圈组件46以激励所选择的共振。射频接收器52被耦合到线圈组件46或分离的接收线圈以接收和解调所诱发的共振信号。为了采集受检者的共振成像信号，将受检者放置在成像区域内。序列控制器54与梯度放大器48和射频发射器50通信，以补充对感兴趣区域的光学操控。序列控制器54例如可以产生所选定的重复回波稳态，或其他共振序列，对这样的共振进行空间编码，有选择的操控和扰乱共振，或以其他方式生成所述受检者的所选择的磁共振信号特征。通过RF线圈组件46检测所生成的共振信号，将其传送至射频接收器52，在k空间存储器56中解调和存储。成像数据由重建处理器58进行重建以产生在图像存储器60中存储的一个或多个图像表示。在一个合适的实施例中，重建处理器58执行逆傅里叶变换重建。所得到的(一个或多个)图像表示由视频处理器62进行处理，并在配备有人类可读显示器的用户界面64上显示。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，所述图像表示可以通过打印机驱动器进行处理，以及被打印、通过计算机网络或因特网传输等。优选地，用户界面64还允许放射学专家或其他操作员与序列控制器54进行通信以选择磁共振成像序列、修改成像序列、执行图像序列等。图3示出了反射式相位全息案(左)和相关联的所产生的衍射射束投影(右)的范例。中心白斑对应于第0级的衍射，左上部射束赋予7、8、9... (7最接近第0级)，右下部射束赋予-7、-8、-9...图4示出了分叉栅格图案的范例。图4B示出了具有5个印迹(finger)的全息案，其产生I = 5的0AM。图4C示出了具有15个印迹的全息案，其产生I = 15的0AM。为了进行比较，图A示出了没有印迹的全息图，其不产生任何0AM。
权利要求
1.一种磁共振检查系统,包括 -RF系统，其用于在极化的偶极子中诱发共振以及从待检查对象接收磁共振信号； -基于光子的超极化设备，其具有 -电磁源，其用于发射光子福射； -模式转换器，其向电磁辐射施加轨道角动量； -空间滤波器，其从所述模式转换器选择赋予轨道角动量的衍射或折射光子射束，以经由所传递的轨道角动量极化所述偶极子； -射束控制器，其在扩展目标区上应用赋予轨道角动量的光子射束。
2.根据权利要求I所述的磁共振检查系统，其中，所述射束控制器被布置为射束扫描器，以在所述扩展目标区上扫描赋予轨道角动量的所述光子射束。
3.根据权利要求I所述的磁共振检查系统，其中，所述基于光子的极化设备被配置成生成多条赋予轨道角动量的光子射束。
4.根据权利要求2所述的磁共振检查系统，其中，所述射束控制器被布置为针对相位全息图的电子控制器，以修改所述相位全息图，从而在所述扩展目标区上扫描赋予轨道角动量的所述光子射束。
5.根据权利要求3所述的磁共振检查系统，其中，所述射束控制器被布置为针对所述相位全息图的电子控制器，以发射多条赋予轨道角动量的光子射束。
6.根据权利要求3所述的磁共振检查系统，其中 -所述电磁源被配置成生成多条光子射束；以及 -所述超极化设备包括光子设备，以将所述多条光子射束引导至所述相位全息图。
7.根据权利要求2所述的磁共振检查系统，其中，所述射束扫描器配备有能移动的镜子，以在扩展目标区上扫描赋予轨道角动量的所述光子射束。
8.根据权利要求4或5所述的磁共振检查系统，其中，所述射束控制器还包括滤波器控制，以控制所述空间滤波器，从而将所述(一条或多条)赋予轨道角动量的光子射束引导至所述扩展目标区。
9.根据权利要求5所述的磁共振检查系统，其中，所述电子控制器被布置成还控制所述空间滤波器，以扫描赋予轨道角动量的所述衍射光子射束，从而在所述扩展目标区上进行扫描。
10.根据权利要求4所述的磁共振检查系统，其中，所述射束扫描器配备有滤波器控制，以控制从所述相位全息图对赋予轨道角动量的衍射或折射射束的选择，从而在所述扩展目标区上进行扫描。
11.根据权利要求I所述的磁共振检查系统，其中，所述射束控制器组合如下的功能 (i)针对所述相位全息图的电子控制器，以发射多条赋予轨道角动量的光子射束，或者被配置成生成多条光子射束的所述电磁源；以及 (ii)控制所述相位全息图以及任选地空间滤波器，从而将所述多条赋予轨道角动量的光子射束引导至所述扩展目标区上。
全文摘要
一种磁共振检查系统，包括RF系统，其用于在极化的偶极子中诱发共振以及从待检查对象接收磁共振信号；以及基于光子的超极化设备。电磁源，其用于发射光子辐射模式转换器，其向所述电磁辐射施加角动量；空间滤波器，其从所述模式转换器选择赋予轨道角动量的衍射或反射光子射束，以经由所传递的轨道角动量极化所述偶极子；射束控制器，其在扩展目标区上应用赋予轨道角动量的光子射束。
文档编号G01R33/62GK102803942SQ201080026765
公开日2012年11月28日 申请日期2010年6月14日 优先权日2009年6月19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