专利名称：用于医疗成像系统中的光数据和功率传输的纳米光子系统的制作方法
技术领域：
本文公开的发明主题涉及医疗成像系统内的功率、控制和数据传输，并且更确切地来说，涉及经微光子或纳米光子的功率、控制和数据的输送。
背景技术：
医疗成像系统常常包括如源、检测器和控制电路的部件以便生成对诊断有用的图像。例如，在X射线系统中，在检查或成像序列期间，由X射线源响应控制信号发射X射线福射。福射芽过感兴趣的受检者(例如，人类患者)，并且一部分被裳减的福射撞击其中收集图像数据的检测器。在正电子发射层析X射线摄影(PET)成像系统中，将放射性核素注入到感兴趣的受检者中。随着放射性核素衰变，发射正电子，正电子与电子碰撞，从而产生发射伽马粒子对的湮没事件。伽马粒子对撞击检测器阵列，这样允许对湮没事件的起源进行定位。在检测到一系列事件之后，可以确定放射性核素的局部浓度，导致了诊断图像。在超声成像中，通常采用一种探头，该探头将超声波发射到感兴趣的受检者的部位中。通常通过设在探头中的多个换能器实现声波脉冲的生成和返回回波的检测，这样产生图像。在磁共振成像(MRI)系统中，由主磁体产生的高度均匀的静态磁场，以将感兴趣的受检者体内的旋磁核(例如，水/脂肪中的氢)的自旋对齐。通过RF发射脉冲扰动这些核自旋，使用梯度线圈基于其位置将其编码，并允许达到平衡。在平衡期间，由自旋进动核发射RF场，并由一系列的RF线圈检测这些RF场。然后处理由检测到这些RF场产生的信号以重构有用的图像。在上文提到的成像设备中，应该注意，最终图像的质量和分辨率与其相应检测器阵列中的检测元件(例如，光电二极管、换能器、或线圈)的数量有很大关系。先进系统通常可能地并入最大数量的检测特征。但是，每个检测特征通常需要系统通道，该系统通道提供将每个检测特征电耦合到传送电路和/或接收电路的方式。因为通常只有有限数量的系统通道可用，所以给定的检测阵列中的检测特征的数量实际上是受限的。检测特征数量的这种限制实际上可约束扫描速度和给定类型的检测阵列可达到的分辨率。不幸地，上文提到的通道不仅需要额外的电材料和功率来放大由检测器产生的信号，而且极大增加了给定阵列的重量和复杂度。因此，目前认识到需要针对成像和通信系统(尤其是采用大量检测元件的那些成像和通信系统)中的数据和/或功率传输的改进型方式。
发明内容
在一个实施例中，提供一种医疗成像系统。该成像系统包括复用光子数据传送系统，其具有光调制器，该光调制器配置成接收表示数据集合的电信号并且可操作以调制光束内包含的由时间、波长或偏振定义的光子子集，以便利用该数据集合将这些光子编码以产生编码的光子；光波导，其与光调制器的至少一部分接口并且配置成传送光束以使光子能够由光调制器调制；光谐振器，其与光波导通信并且配置成从光束移除编码的光子；以及换能器，其以光的方式连接到光谐振器并且配置成将编码的光子转换成表示该数据集合的电信号。在另一个实施例中，提供一种医疗成像系统，其具有光子功率输送系统。该功率输送系统包括可操作以产生光束的光源；波导，其在该波导的第一端处耦合到光源并且配置成传送光束；以及换能器，其耦合到波导的第二端并且配置成将光束转换成用于对医疗成像系统的部件供电的电功率信号。在进一步的实施例中，提供一种磁共振成像(MRI)系统的升级工具箱。该工具箱包括芯片，该芯片具有光子数据传输系统，该光子数据传输系统配置成与多个射频(RF)线圈接口并且可操作以将表示RF线圈处生成的磁共振(MR)数据的电数据信号转换成表示MR 数据的复用的光数据信号。
当参考附图阅读下文的详细描述时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在所有这些附图中相似符号表示相似的部件，在附图中图I是图示根据本公开的一方面的、可以并入纳米光子功率和/或数据传输的通用成像系统的实施例的框图；图2是图示根据本公开的一方面的、可以并入纳米光子功率和/或数据传输的X 射线成像系统的实施例的框图；图3是图示根据本公开的一方面的、可以并入纳米光子功率和/或数据传输的正电子发射层析X射线摄影/单光子发射计算机层析X射线摄影(PET/SPECT)成像系统的实施例的框图；图4是图示根据本公开的一方面的、可以并入纳米光子功率和/或数据传输的超声成像系统的实施例的框图；图5是图示根据本公开的一方面的、可以并入使用纳米光子的功率和数据传输的磁共振成像系统的实施例的框图；图6是根据本公开的一方面的、使用纳米光子从图5的MRI系统的RF线圈阵列进行图像数据传输的实施例的示意图；图7是根据本公开的一方面的、使用纳米光子从图5的MRI系统的RF线圈阵列进行图像数据传输和对其进行功率输送的实施例的示意图；图8是根据本公开的一方面的、使用纳米光子从图5的MRI系统的RF线圈阵列进行图像数据传输和对其进行功率和控制信号传输的实施例的示意图；图9是根据本公开的一方面的、用于向图5的MRI系统的RF线圈阵列传送功率、 数据和/或控制信号以及从其中传送功率、数据和/或控制信号的多通道多波长调制器阵列的实施例的示意图；图10是根据本公开的一方面的、图9的阵列的另一个实施例的示意11是根据本公开的一方面的、图9的阵列的另一个实施例的示意12是根据本公开的一方面的、图9的阵列的另一个实施例的示意13是根据本公开的一方面的、图9的阵列的另一个实施例的示意图
图14是根据本公开的一方面的、将纳米光子调制器阵列与图5的MRI系统的RF 线圈集成的实施例的示意图。图15是根据本公开的一方面的谐振线圈、放大器和可热调谐光调制器之间的接口的实施例的示意图；以及图16是根据本公开的一方面的谐振线圈、放大器和可电调谐开口环光调制器之间的接口的实施例的示意图。
具体实施例方式可能限制可用于给定成像系统的通道的数量的某些考虑可包括成像系统的物理空间，其中可能没有足够的空间用于数量增加的通道。此外，随着增加的电缆布线系统的重量可能增加，这是由于存在金属(例如，导电铜线)、屏蔽特征(例如，金属导线上的绝缘覆盖)以及其他电调节特征(例如，平衡-不平衡变压器(balun))。而且，放置成像系统的区域可能需要更大的冷却，因为电特征生成热量。除了此类考虑外，成像设备还可能非期望地与电功率和通信信号交互。作为一个示例，在MRI系统中，可能有多个电缆向RF线圈和MR控制电路供电以及在RF线圈和MR控制电路之间往返传送数据。电缆布线通常包括铜或类似导电材料，它们可能受到磁共振扫描器生成的强射频场影响。在一些情况中，此影响可能成为信号干扰、劣化和/或恶化，从而导致不规则的图像数据。因此，鉴于经由电通道的传统信号和功率输送的这些缺点，现在认识到存在对成像系统中改进的功率输送和数据传输的需要。本文描述的方式通过提供用于实现高通道计数、高带宽和高图像质量成像系统的纳米光子装置和系统，解决了与功率和数据传输相关的这些和其他问题。使用具有低能量和驱动电压需求的微米尺寸的装置，在本文中描述了采用纳米光子传送器、接收器和波分复用(WDM)系统的成像系统。例如，本发明方式可使用纳米光子互连和纳米光子功率输送方案来实现与成像系统检测器阵列的完全光接口。光子元件可以包括硅基特征，其提供与现有互补金属氧化物半导体(CMOS)制造设施的完全兼容性并允许大量制造，成本低且高产能。而且，本发明实施例能够实现系统成本和检测器阵列重量的显著降低，这能够改善患者舒适度、降低开销成本，增加患者安全性和产生更好的图像质量。本发明的技术效果包括但不限于，提高的图像质量、增加的通道容量、降低的电磁干扰、对光信号免疫(immunity) 和提高的光缆带宽能力。应该注意本发明方式可以应用于多种成像环境，如医疗成像、用于质量控制的产品检验和用于保安检查等。但是，为了简洁，本文论述的示例一般涉及医疗成像，具体地涉及磁共振成像。但是，应该意识到，这些示例仅是说明性的，举出这些示例是为简化解释，并且本发明方式可以结合任何公开的成像技术来使用以及用在医疗成像以外的不同环境中。 更确切地来说，图1-5论述可从并入用于光数据和/或功率传输的纳米光子调制器获益的医疗成像系统的实施例，其中图I是针对通用成像系统，图2是针对X射线成像系统，如计算机层析X射线摄影(CT) /C型臂成像系统，图3是针对PET/SPECT成像系统，图4是针对超声成像系统，以及图5是针对MRI系统。而且，参考图6-8在图5的MRI系统环境中进一步详细地描述了纳米光子调制器的实施例以及将其集成到此类成像系统中。参考图9-13 论述调制器的多种布置，以及参考图14-16论述将纳米光子调制器与图5的MRI系统的RF线圈集成的实施例。鉴于前文，图I提供通用化成像系统10的框图示意。成像系统10包括用于检测信号14的检测器12。检测器12可以包括一个或多个阵列的检测元件，诸如光电二极管、线圈、声换能器、闪烁器(scintillator)、光电倍增管等，以检测信号14。信号14 一般可以包括某种形式的电磁或其他辐射，如伽马射线、X射线、声音回波、RF、声波等。一般地，检测器 12中的检测元件越多，其在空间上解析此类辐射的能力越大，从而产生越高质量的图像。但是，正如上文提到的，每个检测元件可能需要分离的通道，这可能极大增加了电缆布线以及空间和能量需求。检测器12响应检测到的辐射生成电信号，并通过它们相应的通道将这些电信号经数据链路18发送到数据采集系统(DAS) 16。在典型的配置中，数据链路18包括必须予以集束、绝缘、保持热恒定等的多个电线。根据本发明的方式，数据链路18可以有利地包括更少的线路(例如，单个波导线路或很少几个光线路)以将检测器12与DAS 16连接。而且，此光接口可以从离开检测器12的所有通道传送数据的完整集合。根据本实施例的数据链路18可以包括例如，具有光谐振器的多个调制器(例如，微环谐振器)，这些调制器利用特定光的波长将从检测器接收的每个电信号(即，每个通道)编码。可以将这些光的波长复用，并经例如一个或多个波导线路朝着DAS 16传送。朝着数据链路18的端部(即，朝着 DAS 16)，波导线路可能碰到一系列的解复用器，一系列的解复用器被调谐到对每个通道光编码的特定波长。即，将复用侧上的每个光谐振器调谐到解复用器侧上的特定光谐振器。使用换能器(例如，光电二极管)将每个通道转换回电信号，并将其提供到DAS 16。结合图6 进一步详细地论述这种方式。但是，应该注意，至少从检测器12至DAS 16的数据的光传输通常将需要更低成本、更少能量、更小的物理空间等。一旦DAS 16获得电信号(可能是模拟信号)JUDAS 16可以将该数据数字化或以其他方式调整以便更易于处理。例如，DAS 16可以基于时间(例如，在时间序列成像例行程序中)滤波图像数据，可以针对噪声或其他像差等来滤波图像数据。DAS 16然后将数据提供到它在操作上连接的控制器20。控制器20可以是专用计算机或具有适当配置的软件的通用计算机。控制器20可以包括配置成执行诸如成像协议、数据处理、诊断评估等的算法的计算机电路。例如，控制器20可以指令DAS 16以在某些时间上执行图像采集、滤波某些类型的数据等。此外，控制器20可以包括用于与操作员接口的特征，例如以太网连接、因特网连接、无线收发器、键盘、鼠标、轨迹球、显示器等。鉴于此方式，图2是图示可以根据上文提到的方式并入多种纳米光子特征的X射线成像系统30的实施例的框图。X射线成像系统30可以是检验系统(例如，用于质量控制、包装筛检和安全性筛检)，或可以是医疗成像系统。在图示的实施例中，系统30是X射线医疗成像系统，如CT或C型臂成像系统。就系统30的配置而言，它在设计上与结合图I 描述的通用化成像系统10相似。例如，系统30包括操作上连接到DAS 16的控制器20，DAS 16允许通过检测阵列受控地采集图像数据。在系统30中，为了能够收集图像数据，控制器 20还在操作上连接到X射线的源32，该射线源可以包括一个或多个X射线管。控制器20可以经控制链路34向X射线源32提供多种控制信号，例如定时信号、成像序列等。在一些实施例中，控制链路34还可以经控制链路34向X射线源32提供功率， 如电功率。根据本发明实施例，控制链路34可以并入一个或多个光子数据和/或功率输送系统，正如下文将详细描述的。一般地，控制器20将向X射线源32发送一系列信号以启动 X射线36的发射，该X射线36指向感兴趣的受检者，如患者38。患者38体内的多种特征 (例如，组织、骨骼等)将使入射的X射线36衰减。衰减的X射线40通过患者38，然后撞击检测器42 (例如，检测器面板或相似的检测器阵列)以产生表示对应的数据扫描(即，图像)的电信号。在数字检测器的情况中，检测器42可以包括如闪烁器、二极管等的数百个或数千个检测元件。正如上文提到的，每个检测元件可能需要单个通道以用于数据传输，这可能限制检测器42内的检测元件的数量。但是，根据本发明实施例，可以将它们进行光调制，复用，经由数据链路18传送，并解复用。因此，本发明实施例还可以允许减少当至少检测器42与DAS 16耦合时的电布线以及关联的特征。在一些成像环境中，可能重要的是传送可能基本同时获得的信息，以便将获得的信号彼此相关。一种此类成像环境是PET成像系统，图3中图示了其实施例。确切地来说， 图3图示在检测器阵列52与DAS 16之间具有数据链路18的PET成像系统50的实施例的框图。在PET成像中，检测器52 —般配置成环绕着患者38。确切地来说，PET系统50的检测器52通常包括布置在一个或多个环中的多个检测器模块。为了简洁，图示的实施例描绘了两个区域的检测器52，其相隔大约180度安设以便基本同时地捕获在成像期间发射的成对伽马射线。应该注意在其他实施例中，如在SPECT实施例中，检测器52可以安设为环，但是检测一个光子，而非像PET中那样检测同时发生的光子对。检测器52检测衰变放射性核素从患者38体内生成的光子。例如,可以将放射性核素注入患者38体内，并且可以被某些组织(例如，具有异常特征的组织，如肿瘤)选择性地吸收。随着放射性核素衰变，发射正电子。正电子可能与互补电子(例如，来自组织内的原子)碰撞，这导致湮没事件。在PET 中湮没事件导致第一伽马光子和第二伽马光子54、56的发射。第一伽马光子和第二伽马光子54、56可能在彼此成约180度的分离区域处撞击检测器52。通常，第一伽马光子和第二伽马光子54、56大约同时地(S卩，同时发生)撞击检测器52，并且彼此相关。然后可以定位湮没事件的起源。对于多个湮没事件重复此操作，这一般产生其中出现异常组织的对比度增强的图像。就此而言，应该注意，检测器52可以有利地包括多个检测元件以便能够允许高空间分辨率，从而产生足够质量的图像。例如，通过检测多个伽马射线对，以及计算这些对所途径的对应线路，可以估算人体的不同部分中放射性示踪剂的浓度，并可以由此检测肿瘤。因此，精确地检测和定位伽马射线构成PET系统50的基本和首要目标。有利地，本发明实施例提供了经由数据链路18对从检测器52到DAS 16的数量增加的数据通道的利用。正如上文提到的，这允许使用与完全的电配置相比数量增加的检测元件，从而提高此类 PET扫描产生的分辨率和图像质量。在一些实施例中，该检测器可以与源是一整体，以便单个成像部件(例如，探头) 产生声能并将其引导向患者，然后检测返回的任何最终声波。此类实现的示例是超声成像系统，图4中图示了其实施例。确切地来说，图4图示超声成像系统60的实施例，其兼具 DAS 16和操作上连接到超声源/检测器62的(即，超声探头)的控制器20。根据上文描述的方式，超声源/检测器62可以经由数据链路18以光的方式连接到DAS 16。此外，控制器20可以经由控制线路64以光的方式连接到超声源/检测器62，以便提供控制信号、功率等来指令患者数据的采集。例如，超声源/检测器62可以包括患者面对或接触表面，该患者面对或接触表面包括具有多个换能器的换能器阵列。每个换能器能够在由控制器20指令的、通过脉冲波形赋能时产生超声能量66。例如从患者38向换能器超声源/检测器62 反射回超声能量68，并将其转换到电信号，利用该电信号构造有用的图像。与上文论述的其他设备一样，最终图像的分辨率可以直接取决于探头内的检测元件的数量。应该注意，在这种成像环境中，如当源和检测器是手持的时，一般在与其他设备比较时，空间可用性可能极大地受限。因此，本发明的方式实现以光方式经由链路64向超声源/检测器62提供功率和数据。因此，图像数据从超声源/检测器62向DAS 16的传输可以是数据链路18上的光方式的。这种功率和数据传输还可以应用于MRI系统，其中由用户(例如，放射科医生)启动特定的成像例行程序。图5中图示这种系统的实施例，其中描绘了磁共振成像系统70， 该磁共振成像系统70包括扫描器72、扫描器控制电路74和系统控制电路76。此外，系统 70包括如图片归档和通信系统(PACS)78的远程访问和存储系统或装置，或如远程放射设备的其他装置，以便可以在现场或非现场访问系统70获得的数据。虽然MRI系统70可以包括任何适合的扫描器或检测器，但是在图示的实施例中，系统70包括全身体扫描器72， 全身体扫描器72具有壳体80，穿过壳体80形成孔82。工作台84可移动到孔82内以允许将患者38定位于其中以便对选定的解剖结构成像。扫描器72包括一系列关联的线圈，用于产生一个或多个受控磁场和用于检测来自被成像的患者38的解剖结构内的旋磁材料的发射。提供主励磁线圈86用于生成与孔82 大致对齐的主磁场。一系列的梯度线圈88、90和92允许在检查序列期间生成受控的磁梯度场。提供射频(RF)线圈94，用于生成激励旋磁材料的射频脉冲，例如用于自旋准备、弛豫加权、自旋微扰或层面选择。分离的接收线圈或相同的RF线圈94可以在检查序列期间从旋磁材料接收磁共振信号。扫描器72的多种线圈由外部电路来控制以通过受控的方式生成期望的磁场和脉冲，以及从旋磁材料读取发射。在一个实施例中，提供主电源96，用于对主场线圈86供电。 提供驱动器电路98，用于对梯度场线圈88、90和92产生脉冲。此类电路通常包括放大和控制电路，该放大和控制电路用于按扫描器控制电路74输出的数字化脉冲序列所定义的，向线圈提供电流。提供另一个控制电路102，用于调整RF线圈94的操作。在一些实施例中， 电路102可以包括开关装置，用于在有源模式和无源模式的操作之间交替，在有源模式和无源模式的操作中RF线圈分别传送和接收信号。但是，在图示的实施例中，电路102与接收线圈阵列103(例如，可以放置在患者38上的阵列)通信。根据本发明公开，接收线圈阵列103包括与电路102的光接口，该光接口例如用于数据的往返传送、控制信号的提供等。 电路102还包括用于生成RF脉冲的放大电路以及用于处理接收器阵列103接收的磁共振信号的接收电路。结合图6-8进一步详细描述在线圈、放大器和电路102之间传送功率和 /或数据所采用的方式。扫描器控制电路74包括接口电路104，接口电路104输出用于驱动梯度场线圈 88-92和RF线圈94的信号以及用于接收表示检查序列中产生的磁共振信号的数据。接口电路104还耦合到控制电路110。控制电路110基于经系统控制电路76选择的定义的协议执行用于驱动电路102和电路98的命令。控制电路110还用于接收磁共振信号并执行后续处理，然后将该数据传输到系统控制电路76。扫描器控制电路74还包括一个或多个存储器电路112，一个或多个存储器电路112存储配置参数、脉冲序列描述、检查结果等。接口电路114耦合到控制电路110，用于在扫描器控制电路74与系统控制电路76之间交换数据。 此类数据将通常包括要执行的特定检查序列的选择、这些序列的配置参数以及可以原始形式或已处理形式从扫描器控制电路74传送以进行后续处理、存储、传输和显示的获取的数据。系统控制电路76包括接口电路116，接口电路116从扫描器控制电路74接收数据并将数据和命令传送回扫描器控制电路74。接口电路116耦合到控制电路118，控制电路118可以包括多用途或专用计算机或工作站中的CPU。控制电路118耦合到存储器电路 120以便存储MRI系统70的操作的编程代码以及存储处理的图像数据以供后来重构、显示和传输。可以提供附加的接口电路122，用于与例如远程访问和存储装置78的外部系统部件交换图像数据、配置参数等。最后，系统控制电路118可以包括用于协助实现操作员接口和用于产生重构的图像的硬副本的多种外围装置。在图示的实施例中，这些外围设备包括打印机124、监视器126和包括如键盘或鼠标的装置的用户接口 128。鉴于图5的MRI系统70的操作和通用配置，将在从RF接收线圈阵列103传送到图像处理电路(例如，扫描器控制电路74和/或系统控制电路76)的磁共振(MR)数据的环境中描述纳米光子数据输送的本发明方式。因此，为了利于这种纳米光子数据输送的论述，纳米光子系统140并入用于从阵列RF接收线圈142 (其可以与图5的阵列103相似) 向结合图6描述的图像处理电路进行数据的光传输的特征。应该注意，可以将全部或部分的纳米系统140集成在单个芯片或多个芯片上，并且传送的数据可以是模拟的和/或数字的。在图示的实施例中，纳米光子系统140描绘为包括光调制器144的阵列，光调制器 144配置成将表示磁共振数据的电信号(例如，数字信号或模拟信号)转换成光信号。在广义的意义上来说，每个光调制器144可以包括一个或多个光谐振器，该一个或多个光谐振器配置成以与其他光调制器的每个不同的波长工作。确切地来说，每个调制器144调制光束内包含的不同光子子集，以便将以相应的数据集合对该光子子集编码以产生编码的光子子集。每个光子子集可以如此分类该子集可以含有具有相近波长(例如，彼此几个rim 内)、相同波长、相同偏振的多个光子，或基本同时地到达调制器的多个光子。正如本文定义的，光子子集可以包含使它们可以相对于单个量子所联想到的行为呈现集合行为的多个光子。通过光刻或通过热调谐来获得谐振器呈现的波长控制。在图示的实施例中，系统140 可以采用微环谐振器、阵列波导光栅和/或Mach-Zender干涉仪的任何一种或其组合，以用于对光束内包含的光子子集执行光复用和/或解复用的目的。而且，每个谐振器/光子元件也设计成以独有的光波长工作。在纳米光子系统140的工作期间，RF线圈142各接收相应的MR信号。然后将MR 信号转换成电信号146(例如，模拟或数字)，然后将其导向到它们相应的放大器148。例如， 这些放大器可以是低噪声放大器(LNA)，其使用介于约0. 005瓦特(W)与IW之间的能量来驱动(例如,介于约5mW与约500mW之间或约1/3W)。在一些配置中，LNA可生成拉莫尔频率(通常分别在I. 5T和3T的氢核的大约64MHz或128MHz处，但是可能为对应于31P、13C或其他核的其它频率处)附近的窄带宽内的MR兼容的低噪声，以便避免将噪声引入线圈142 处接收的MR信号。这些放大器将电信号146放大，然后将其作为放大的电信号150发送到光调制器144的阵列，例如作为放大的模拟信号或放大的数字信号。
在与将数据传输到光调制器144的阵列基本同时进行的过程中，光源152(例如， 一个或多个LED、二极管激光器、微环激光器等)通过波导156(例如,光纤导管)发送光束 154。光束154可以包含一个或多个光波长。即，该光束可以包含多个光子子集，其中每个子集具有相应的偏振或波长等。虽然图示的实施例将系统140描绘为包括单个波导，但是应该注意，本文可设想使用更多波导，如往多个光调制器的一系列波导或用于向光调制器传输的波导和用作从调制器载送调制的光信号的引入线的分离波导。下文结合图9-13论述此类实施例。如图6所示，光束154沿着波导156传送，并碰到光调制器144的阵列。在广义意义上而言，波导156可以是单模光纤或多模光纤，并且可以包括仅一个光纤或多个光纤，或可以是蚀刻到硅芯片中的通道。此外，波导线路156可以是二氧化硅基波导材料，或可以包含本领域中公知的波导材料的任何一种或其组合，例如二氧化硅、氟锆酸盐、氟铝酸盐、硫属化物、蓝宝石和/或塑料材料。当光束154碰到光调制器144的阵列时，每个调制器以它们相应线圈142处接收的MR数据将光束154的一部分编码，产生变得逐渐调制的(例如， 因为它碰到更多光调制器)的光束158。例如，光束154可以包含可调谐多个光调制器144 的其中之一的多个波长(或偏振或时间)。根据本发明的方式，可以按小如数纳米(nm)或大如微米来分隔能够由调制器144区分性地编码的波长。在一些实施例中，将光调制器144 调谐到的波长可以在约1520nm至约1570nm( S卩，约I. 57 μ m)的范围内。在图示的非限制性实施例中，系统140包括五个不同的光调制器，调制器144a、144b、144c、144d和144e，它们可以调谐到光束158中包含的相应波长(例如，分别为Xa、Xb、λ。、λε)。以此方式，光调制器144a可以通过从其相应RF线圈接收的磁共振数据将波长Xa编码，以及调制器144b可以通过从其相应RF线圈接收的磁共振数据将波长Xb编码，等等。在图示的实施例中，在光束158碰到光调制器144e之后，可以通过波导156传送已经通过来自RF接收线圈142的MR数据完全编码的光束160。S卩，将光束160与由RF线圈142捕获的数据复用。 因此，应该注意，可以随着在RF线圈142处收集MR数据基本连续地执行上文描述的过程。—旦产生了完全编码的光束160,光纤156沿着碰到多个光谐振器162的路径传送光束160，这些光谐振器162 —般配置成将光束160解复用。因此，当光束160碰到多个光谐振器162时，可以产生随着其碰到谐振器162而变为逐渐解复用的光束164。例如，光束160可以碰到光谐振器162a、162b、162c、162d和162e，其中与光调制器144a_144e的情况一样，它们可以分别调谐到波长Xa、Ab> λ。、Xe0在图示的实施例中，将碰到的第一个光谐振器是谐振器162e，其可以调谐到波长Xe0光束164然后碰到谐振器162d，谐振器162d可以调谐到不同的波长(例如，λ d)，等等，直到到达最后一个光谐振器162a为止。应该注意，虽然光束160图示为按上文描述的次序碰到光谐振器，但是本发明的方式还可设想使用任何次序的解复用，从而使谐振器162能够调谐到任何期望的波长和能够实现任何期望的复用/解复用次序。如上文所述在每个相应波长处解复用时，每个光谐振器162产生相应的光信号 166，该光信号166—般可以包含该谐振器所调谐到的一个或多个波长。以此方式，谐振器 162e处产生的光信号166包含波长Xe等。当然,光信号166可以沿着相应的波导线路传送，在这些相应的波导线路中将光信号166导向到光检测器阵列168以便产生相应的电信号170。检测器168可以包括光检测器，例如光电二极管阵列、锗波导集成的检测器或能够用作换能器以从光信号166生成电信号170的任何光检测器。在光检测器168处产生的电信号170表示在RF线圈142处检测到的MR数据。因此，将电信号170发送到处理电路(例如，扫描器控制电路74和/或系统控制电路76)以便允许处理、存储和/或解释MR数据。
图6所示的实施例包括配置成以光方式将数据从RF线圈142传送到MR系统70的一个或多个处理电路的特征，而图7图示配置成向驱动调制器144的放大器148的阵列提供光功率的系统180的实施例。系统180包括兼用于光功率输送和光数据传输的特征。但是，在一些实施例中，可以仅提供光功率输送。实际上，在一些实施例中，本文描述的与光子功率输送相关的特征可以在单个芯片上实现，例如硅芯片(例如，绝缘体上硅(SOI)芯片)。 而且，上文描述的与光子数据传输相关的特征可以在相同的或分离的芯片上实现。因此，本文描述的方式可以完全在单个芯片上或多个芯片上实现。鉴于图6所述的系统140的操作， 图7所示的系统180其中包括光功率源182，光功率源182配置成输出光束184以用于实现对放大器阵列148的最终功率输送。一般地，光功率源182包括一个或多个激光器，其能够基本持续地输出足够量的功率以便驱动放大器148以及至少部分地驱动光调制器144。根据本发明实施例，每个放大器148可以利用介于约O. 3瓦特(W)与约IW之间。但是，应该注意，本发明的方式还可应用于使用更多或更少功率的放大器。因此，光功率源182可以包括能够各输出高达约几个毫瓦(例如，约lmW、5mW、10mW等)的一个或多个激光器。光功率源182产生的光束184可以包括一个或多个波长，该一个或多个波长可以由光功率源182内的光源的配置和/或数量来确定。例如，光束184可以包括例如来自宽带激光器和/或以相应的带宽和波长工作的多个激光器的一个或多个可见波长。光束184 通过波导186导向到换能器188。波导186可以是二氧化硅基波导材料，或可以包含本领域中公知的波导材料的任何组合，例如二氧化硅、氟锆酸盐、氟铝酸盐、硫属化物、蓝宝石和 /或塑料材料。在广义意义上而言，换能器188接收光束184并作为结果产生电信号190。换能器188可以安设在一个或多个线圈142上或可以与线圈142分开，并且可以包括光电二极管或基于光检测产生电信号的任何光检测器，如光电倍增管(PMT)等。在一个实施例中，换能器188可以是在一个或多个可见波长上工作的硅基二极管。而且，换能器188可以配置成耗散由光束184的接收而生成的至少部分热。一旦换能器188产生电信号190，则将其提供到开关模式电源192。开关模式电源 192 一般配置成调整电信号190以便提供与放大器148和调制器144使用兼容的调整的电信号194。例如，开关模式电源192可以转换AC和/或DC电压并生成具有适于配合系统 180的电子装置(例如，线圈142、放大器148)和/或调制器144使用的功率的调整的DC电压。如图7所示，将调整的电信号194至少提供到放大器148以提供用于放大的功率。正如上文所提到的，在一些实施例中，还可以将电信号194提供到调制器144。除了上文结合图6和图7描述的光子功率输送和光子数据传输特征外，本发明的方式还提供系统200，如图8所示，其用于实现控制信号至线圈142的光子输送。因此，图8 所示的系统200 —般提供至用来接收图5的MRI系统70内的MR信号的特征的基本完全的光接口。因此，鉴于分别结合图6和图7描述的系统140和180的特征和操作，系统200包括用于以光的方式调制一个或多个线圈控制信号202，以及用于以光的方式将控制信号输送到线圈142的特征。
为了使系统200能够以光的方式将控制信号输送到线圈142，除了线圈142处接收的MR信号的光调制外，图示的光源152还包括多个微环激光器152a、152b、152c、152d、152e 和152f。这些微环激光器通过将光增益介质集成在透明光共振腔(optical cavity)上来形成。该共振腔可以是微环/微碟或ID布拉格光栅。作为备选，可以使用具有非线性光学过程的光共振腔以产生光波长的梳(comb)。确切地来说，每个微环激光器配置成调谐到相应的光调制器144和相应的解复用光谐振器162。例如，调谐微环激光器152a，以产生入a， 如上所述，Xa是调制器144a和谐振器162a工作所在的波长。查阅图8时，将意识到，微环激光器的数量一般超过光调制器144和光谐振器162的数量。一般地，将附加的微环激光器(在图示的实施例中包括微环激光器152f)配置成产生一个或多个附加的波长(Xf)，其调谐到配置成调制线圈控制信号202的光调制器204。因此，在系统200的工作期间，除了上文结合图6和图7描述的操作外，还将电线圈控制信号202调制成光信号，其成为光束154的一部分。随着光束154通过波导156行进，它碰到解复用光谐振器206。随着光束154碰到光谐振器206,产生表线圈控制信号 202的光信号208 (即，从光束154解复用的)。经一个或多个光纤210将光信号208传送到换能器212，换能器212可以是光电二极管等。换能器212将表示线圈控制信号202的光束208转换回电域。因此，产生可以与电线圈控制信号202相同的电信号214，并将其提供到线圈阵列142。以此方式，电信号214可以控制线圈阵列142的操作。应该注意，虽然图示的实施例提供将一个电信号214提供到线圈阵列142，但是每个通道，即每个线圈可以具有不同且分离的一组调制器204、谐振器206和换能器212。因此，可以直接将调制器204、 谐振器206和换能器212的任何一个或其组合安设在线圈中任何一个或其组合上，以使调制器204和/或谐振器206和/或换能器212 (和任何关联的波导)的数量等于通道的数量。应该注意，本文描述的光调制器的任何一个光调制器可以使用一个或多个光谐振器来实现。例如，为了达到适合的动态对比率、适合的线性度等，可能期望以与光纤相似的方式配置这些调制器，其中利用多个谐振器。结合图9图示系统220的这种实施例的示例， 其对于每个调制器具有多个谐振器。确切地来说，图9包括光源222，光源222可以具有与图6-8的光源152相似的配置。光源222产生一个或多个光束224，一个或多个光束224沿着第一波导226载送并可以碰到上文结合图6描述的电MR信号。然后光束224碰到调制器228，调制器228配置成将表示在RF线圈之一处接收的 MR数据的电信号转换到光域，并且包括多个谐振器230、232、234。确切地来说，鉴于上述的波长识别惯例，可以将调制器228调谐到K。由此，将每个谐振器230、232、234调谐到K。 在Aa碰到最后一个谐振器(即，谐振器234)之后，将其提供到第二波导或引入线236。随着光束224碰到调制器240、242和244，对其发生相似的过程，可以将调制器240、242和244 调谐到其他相应的波长(即，X b、X。和Xd)。以此方式，将载送MR数据的复用光束246发送到位于远离扫描器72的处理区域的解复用特征。虽然图9图示的实施例描绘了采用线性方式的谐振器，但是应该注意，本文中可设想其他谐振器布置，并且可以使用滤波器设计所能联想的方式来配置这些谐振器布置。 例如，图10图示与图9所示的配置相似的线性配置的光谐振器。图11图示三角形布置，其中两个光谐振器230、234连接波导228和236，并且将一个谐振器232安设在其他谐振器下方。图12图示一种实施例，其中将谐振器230和232安设在第一波导226附近，以及将谐振器234安设在引入线236附近。图13图示一种实施例，其中以与图12的布置相似的布置安设这些谐振器，但是增加这些谐振器之间的间距以优化光传送功能或在一些实施例中，这些谐振器不接触。正如上文提到的，为了利于数据从RF线圈142的传送，以及将MR系统70中使用的电线数量减到最小，可能期望将一个或多个光子数据传输特征直接安设在RF线圈142上。 图14中图示这种实现的实施例，其中描绘了四个谐振环共用一组光子数据传输特征的系统260。在这种实施例中，期望将光子数据传输特征集成到MR系统70内的可移动和/或可拆卸的单个构件上。此外，这种集成可以允许对现有MR系统70进行改进，以便减少电互连、导管线、平衡-不平衡变压器等的数量。在图示的实施例中，将结合图6描述的光子数据传输特征的至少一部分集成到单个芯片262、264、266和268中。即，每个芯片包括至少放大器148、调制器144和波导156。为了允许隔开距离安设电线和处理设备以避免在MR扫描器72处产生的干扰，可以将每个芯片262、264、266和268连接到相应的波导270、272、274和276。以此方式，波导270、272、274和276允许至光源152和/或解复用谐振器168的远距离连接。正如上文图示和提到的，可以将四个谐振线圈142连接到单个芯片。就芯片262来说，将其配置成与谐振线圈142a、142b、142c和142d接口，可以将这些谐振线圈的每一个匹配到它们相应的放大器。以此方式，谐振线圈142a将其表示MR数据的电信号提供到放大器148a，放大器 148a再将其放大的电信号提供到光调制器144a，等等。结合图15和图16进一步详细地描述将光调制器144配置成从RF线圈142接收信息并与光束接口的方式。确切地来说，图15提供可热调谐的光调制器布置的实施例，以及图16提供可电调谐的开口环光调制器布置的实施例。现在参考图15，提供用于调制从一个或多个谐振线圈282接收的MR数据的系统280的实施例。提供芯片284，其中包括放大器286、光调制器288和加热元件290。下文描述系统280的操作。应该注意，谐振线圈282 —般配置成在扫描器72 (图5)的发射RF线圈94已激励自旋之后，从患者38体内的核自旋接收微弱的RF信号，并且当旋磁核返回到它们的平衡磁化时线圈282接收这些信号。因此，线圈282还可以具有除了图示的实施例中的那些以外的特征，例如，用于在RF传输期间将线圈282去激活以避免扫描器72传输大量RF能量时损坏电部件的特征。例如，可以将微机电开关(MEMS)装置安设在谐振线圈282上，并且可以防止线圈282在RF传输脉冲期间与扫描器72生成的RF能量谐振。因此，在工作期间，线圈282接收RF信号，该RF信号表示患者38的MR数据。线圈282然后产生表示该MR数据的电数据信号。放大器286然后放大谐振线圈282处产生的电数据信号。然后将放大的电数据信号以不平衡电信号的形式提供到光调制器288。在图示的实施例中，由于与MR系统70的通用地分离的浮动基准地的原因，所以该电信号是不平衡的。确切地来说，放大器286经第一连接294和第二连接296与光调制器288接口。第一连接294与光调制器288的外部P区298 (即，P型半导体区)接口，第二连接296与光调制器288的内部η区300 (即，η型半导体区)接口。因此，光调制器288可以是PN-型二极管、PIN-型二极管或如PINIP装置或MOS (金属氧化物半导体)电容器的多层结构。光调制器288的p区298和n区300通过微环谐振器302彼此分隔开。微环谐振器302是由p区 298与n区300之间产生的偏压调制具有特定波长的光子所在的区域。因此，传送光束306 的光波导304 (例如，蚀刻到芯片中的波导)与光调制器288接口，并且以MR数据调制成编码光束306内具有将光调制器288调谐到的波长的光波长子集以产生调制的或编码的光束 308。为了使光调制器288能够仅编码或调制光束306内的光波长子集，加热器290通过向调制器288的全部或部分提供热能来调整跨过调制器288的偏压。当然，光波导304可以与类似于调制器288但是具有不同目标波长以便能够将光束304 (和/或束308)复用的多个光调制器接口。现在转移到图16，提供采用具有开口环调制器324的芯片322的系统320的实施例，其用于产生以MR数据编码的光信号。关于线圈282和放大器侧286，系统320的操作大致与系统280的操作相似。因此，鉴于此类特征的操作，本文描述开口环调制器324的操作。如上所述，放大器286具有与开口环调制器324的至少两个连接。确切地来说，放大器286经第一连接326和第二连接328与开口环调制器324接口，其中这两个连接均在开口环调制器324的第一侧330上。以与上文所述的光调制器相似的方式，第一连接326与第一内部n区332接口，而第二连接328与第一外部p区334接口，它们被微环谐振器336 分隔开。就此而言，开口环调制器324调制光束306的方式大致与上文结合图15描述的方式相似。但是，与图15的光调制器288相比，开口环调制器324具有通过开口 340与第二侧338分离的第一侧330。调制器324的各部分之间的这种不连续性允许跨过开口环调制器324设置电偏压，以便能够调谐到一个或多个特定波长来实现调制。因此，将DC偏压控制342连接到第二内部n区344，其中地346连接到第二外部p区348。以此方式，在第二侧338上设置电压以便跨过开口环调制器324产生偏压来允许波长调谐。本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，以及还使本领域技术人员能实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统及执行任何结合的方法。还应该理解，本文公开的多种示例可以具有能够与本文公开的其他示例或实施例组合的特征。即，本发明的示例是以简化解释的方式来呈示的，但是这些示例也可以彼此组合。本发明可取得专利的范围由权利要求确定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有与权利要求字面语言无不同的结构要素，或者如果它们包括与权利要求字面语言无实质不同的等效结构要素，则它们规定为在权利要求的范围之内。
权利要求
1.一种医疗成像系统，包括复用的光子数据传送系统，其包括光调制器(144)，其配置成接收表示数据集合的电信号并且可操作以调制光束内包含的由时间、波长或偏振定义的光子子集，以便利用所述数据集合将所述光子编码以产生编码的光子；光波导(156)，其与所述光调制器(144)的至少一部分接口并配置成传输所述光束以使所述光子能够由所述光调制器(144)调制；光谐振器(162)，其与所述光波导(156)通信并且配置成从所述光束移除所述编码的光子；以及换能器(188)，其以光的方式连接到所述光谐振器(162)并且配置成将所述编码的光子转换成表示所述数据集合的电信号。
2.根据权利要求I所述的系统，其中，将所述光调制器(144)和所述光谐振器(162)调谐到所述光子子集的波长。
3.根据权利要求I所述的系统，其中，所述光调制器(144)包括微环谐振器(302)。
4.根据权利要求I所述的系统，其中，所述光谐振器(162)包括微碟、微环或光子晶体共振腔。
5.根据权利要求I所述的系统，其中，所述换能器(188)包括光电二极管阵列。
6.根据权利要求I所述的系统，包括配置产生所述光束的光源(222)。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述光束包括多个光子子集，每个子集具有相应的波长，以及将所述光调制器(144)调谐成调制所述光束内包含的所述多个光子子集的第一子集，以便产生编码的光子的第一集合。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述多个光子子集的所述第一子集全部在将所述光调制器(144)和所述光谐振器(162)调谐到的波长范围内。
9.根据权利要求8所述的系统，包括附加的光调制器(144)，其配置成接收表示附加的数据集合的电信号(146)并且可操作以调制所述光束内包含的、具有相应波长的所述多个光子子集的相应子集，以便产生编码的光子的附加集合。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，在碰到所述光调制器(144)时所述光束被复用。
11.根据权利要求10所述的系统，包括附加的光谐振器(162)，其调谐到所述多个光子的所述相应子集的所述相应波长。
12.根据权利要求I所述的系统，其中，所述数据集合包含提供到磁共振成像线圈的控制信号数据。
13.一种用于磁共振成像(MRI)系统(70)的升级工具箱，包括芯片(322)，其包括光子数据传输系统，其配置成与多个射频(RF)线圈接口并可操作以将表示所述RF线圈处生成的磁共振(MR)数据的电数据信号转换成表示所述MR数据的复用的光数据信号。
14.根据权利要求13所述的工具箱，其中，所述光子数据传输系统包括光调制器 (144)，所述光调制器(144)配置成从所述多个RF线圈的其中之一接收表示MR数据集合的电数据信号，并且调制光束内包含的光子子集，以便利用所述MR数据集合将所述子集编码以产生编码的光子集合。
15.根据权利要求13所述的工具箱，包括光子功率输送系统，其具有可操作以产生第二光束的光源(222);波导(156)，其在所述波导(156)的第一端处耦合到所述光源(222) 并配置成传送所述光束；以及换能器(188)，其耦合到所述波导(156)的第二端并配置成将所述光束转换成电功率信号以对所述光子数据传输系统的至少一部分供电。
全文摘要
本发明名称为“用于医疗成像系统中的光数据和功率传输的纳米光子系统”。本公开针对使用纳米光子元件的数据和/或功率的传输。例如，在一个实施例中，提供一种医疗成像系统。该成像系统包括复用的光子数据传送系统，该复用的光子数据传送系统具有光调制器，该光调制器配置成接收表示数据集的电信号并且可操作以调制光束内包含的由时间、波长或偏振定义的光子子集，以便利用该数据集将这些光子编码以产生编码的光子；光波导，其与光调制器(144)的至少一部分接口并且配置成传送光束以使光子能够由光调制器调制；光谐振器，其与光波导通信并且配置成从光束移除编码的光子；以及换能器，其以光的方式连接到光谐振器并且配置成将编码的光子转换成表示数据集合的电信号。
文档编号A61B5/055GK102599909SQ20111042933
公开日2012年7月25日 申请日期2011年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者C·J·哈迪, S·马尼帕特鲁尼 申请人:通用电气公司