用于醫療成像系統中的光數據和功率傳輸的納米光子系統的制作方法

專利名稱：用于醫療成像系統中的光數據和功率傳輸的納米光子系統的制作方法
技術領域：
本文公開的發明主題涉及醫療成像系統內的功率、控制和數據傳輸，并且更確切地來說，涉及經微光子或納米光子的功率、控制和數據的輸送。
背景技術：
醫療成像系統常常包括如源、檢測器和控制電路的部件以便生成對診斷有用的圖像。例如，在X射線系統中，在檢查或成像序列期間，由X射線源響應控制信號發射X射線福射。福射芽過感興趣的受檢者(例如，人類患者)，并且一部分被裳減的福射撞擊其中收集圖像數據的檢測器。在正電子發射層析X射線攝影(PET)成像系統中，將放射性核素注入到感興趣的受檢者中。隨著放射性核素衰變，發射正電子，正電子與電子碰撞，從而產生發射伽馬粒子對的湮沒事件。伽馬粒子對撞擊檢測器陣列，這樣允許對湮沒事件的起源進行定位。在檢測到一系列事件之后，可以確定放射性核素的局部濃度，導致了診斷圖像。在超聲成像中，通常采用一種探頭，該探頭將超聲波發射到感興趣的受檢者的部位中。通常通過設在探頭中的多個換能器實現聲波脈沖的生成和返回回波的檢測，這樣產生圖像。在磁共振成像(MRI)系統中，由主磁體產生的高度均勻的靜態磁場，以將感興趣的受檢者體內的旋磁核(例如，水/脂肪中的氫)的自旋對齊。通過RF發射脈沖擾動這些核自旋，使用梯度線圈基于其位置將其編碼，并允許達到平衡。在平衡期間，由自旋進動核發射RF場，并由一系列的RF線圈檢測這些RF場。然后處理由檢測到這些RF場產生的信號以重構有用的圖像。在上文提到的成像設備中，應該注意，最終圖像的質量和分辨率與其相應檢測器陣列中的檢測元件(例如，光電二極管、換能器、或線圈)的數量有很大關系。先進系統通常可能地并入最大數量的檢測特征。但是，每個檢測特征通常需要系統通道，該系統通道提供將每個檢測特征電耦合到傳送電路和/或接收電路的方式。因為通常只有有限數量的系統通道可用，所以給定的檢測陣列中的檢測特征的數量實際上是受限的。檢測特征數量的這種限制實際上可約束掃描速度和給定類型的檢測陣列可達到的分辨率。不幸地，上文提到的通道不僅需要額外的電材料和功率來放大由檢測器產生的信號，而且極大增加了給定陣列的重量和復雜度。因此，目前認識到需要針對成像和通信系統(尤其是采用大量檢測元件的那些成像和通信系統)中的數據和/或功率傳輸的改進型方式。

發明內容
在一個實施例中，提供一種醫療成像系統。該成像系統包括復用光子數據傳送系統，其具有光調制器，該光調制器配置成接收表示數據集合的電信號并且可操作以調制光束內包含的由時間、波長或偏振定義的光子子集，以便利用該數據集合將這些光子編碼以產生編碼的光子；光波導，其與光調制器的至少一部分接口并且配置成傳送光束以使光子能夠由光調制器調制；光諧振器，其與光波導通信并且配置成從光束移除編碼的光子；以及換能器，其以光的方式連接到光諧振器并且配置成將編碼的光子轉換成表示該數據集合的電信號。在另一個實施例中，提供一種醫療成像系統，其具有光子功率輸送系統。該功率輸送系統包括可操作以產生光束的光源；波導，其在該波導的第一端處耦合到光源并且配置成傳送光束；以及換能器，其耦合到波導的第二端并且配置成將光束轉換成用于對醫療成像系統的部件供電的電功率信號。在進一步的實施例中，提供一種磁共振成像(MRI)系統的升級工具箱。該工具箱包括芯片，該芯片具有光子數據傳輸系統，該光子數據傳輸系統配置成與多個射頻(RF)線圈接口并且可操作以將表示RF線圈處生成的磁共振(MR)數據的電數據信號轉換成表示MR 數據的復用的光數據信號。


當參考附圖閱讀下文的詳細描述時，將更好地理解本發明的這些和其他特征、方面和優點，在所有這些附圖中相似符號表示相似的部件，在附圖中圖I是圖示根據本公開的一方面的、可以并入納米光子功率和/或數據傳輸的通用成像系統的實施例的框圖；圖2是圖示根據本公開的一方面的、可以并入納米光子功率和/或數據傳輸的X 射線成像系統的實施例的框圖；圖3是圖示根據本公開的一方面的、可以并入納米光子功率和/或數據傳輸的正電子發射層析X射線攝影/單光子發射計算機層析X射線攝影(PET/SPECT)成像系統的實施例的框圖；圖4是圖示根據本公開的一方面的、可以并入納米光子功率和/或數據傳輸的超聲成像系統的實施例的框圖；圖5是圖示根據本公開的一方面的、可以并入使用納米光子的功率和數據傳輸的磁共振成像系統的實施例的框圖；圖6是根據本公開的一方面的、使用納米光子從圖5的MRI系統的RF線圈陣列進行圖像數據傳輸的實施例的示意圖；圖7是根據本公開的一方面的、使用納米光子從圖5的MRI系統的RF線圈陣列進行圖像數據傳輸和對其進行功率輸送的實施例的示意圖；圖8是根據本公開的一方面的、使用納米光子從圖5的MRI系統的RF線圈陣列進行圖像數據傳輸和對其進行功率和控制信號傳輸的實施例的示意圖；圖9是根據本公開的一方面的、用于向圖5的MRI系統的RF線圈陣列傳送功率、 數據和/或控制信號以及從其中傳送功率、數據和/或控制信號的多通道多波長調制器陣列的實施例的示意圖；圖10是根據本公開的一方面的、圖9的陣列的另一個實施例的示意11是根據本公開的一方面的、圖9的陣列的另一個實施例的示意12是根據本公開的一方面的、圖9的陣列的另一個實施例的示意13是根據本公開的一方面的、圖9的陣列的另一個實施例的示意圖
圖14是根據本公開的一方面的、將納米光子調制器陣列與圖5的MRI系統的RF 線圈集成的實施例的示意圖。圖15是根據本公開的一方面的諧振線圈、放大器和可熱調諧光調制器之間的接口的實施例的示意圖；以及圖16是根據本公開的一方面的諧振線圈、放大器和可電調諧開口環光調制器之間的接口的實施例的示意圖。
具體實施例方式可能限制可用于給定成像系統的通道的數量的某些考慮可包括成像系統的物理空間，其中可能沒有足夠的空間用于數量增加的通道。此外，隨著增加的電纜布線系統的重量可能增加，這是由于存在金屬(例如，導電銅線)、屏蔽特征(例如，金屬導線上的絕緣覆蓋)以及其他電調節特征(例如，平衡-不平衡變壓器(balun))。而且，放置成像系統的區域可能需要更大的冷卻，因為電特征生成熱量。除了此類考慮外，成像設備還可能非期望地與電功率和通信信號交互。作為一個示例，在MRI系統中，可能有多個電纜向RF線圈和MR控制電路供電以及在RF線圈和MR控制電路之間往返傳送數據。電纜布線通常包括銅或類似導電材料，它們可能受到磁共振掃描器生成的強射頻場影響。在一些情況中，此影響可能成為信號干擾、劣化和/或惡化，從而導致不規則的圖像數據。因此，鑒于經由電通道的傳統信號和功率輸送的這些缺點，現在認識到存在對成像系統中改進的功率輸送和數據傳輸的需要。本文描述的方式通過提供用于實現高通道計數、高帶寬和高圖像質量成像系統的納米光子裝置和系統，解決了與功率和數據傳輸相關的這些和其他問題。使用具有低能量和驅動電壓需求的微米尺寸的裝置，在本文中描述了采用納米光子傳送器、接收器和波分復用(WDM)系統的成像系統。例如，本發明方式可使用納米光子互連和納米光子功率輸送方案來實現與成像系統檢測器陣列的完全光接口。光子元件可以包括硅基特征，其提供與現有互補金屬氧化物半導體(CMOS)制造設施的完全兼容性并允許大量制造，成本低且高產能。而且，本發明實施例能夠實現系統成本和檢測器陣列重量的顯著降低，這能夠改善患者舒適度、降低開銷成本，增加患者安全性和產生更好的圖像質量。本發明的技術效果包括但不限于，提高的圖像質量、增加的通道容量、降低的電磁干擾、對光信號免疫(immunity) 和提高的光纜帶寬能力。應該注意本發明方式可以應用于多種成像環境，如醫療成像、用于質量控制的產品檢驗和用于保安檢查等。但是，為了簡潔，本文論述的示例一般涉及醫療成像，具體地涉及磁共振成像。但是，應該意識到，這些示例僅是說明性的，舉出這些示例是為簡化解釋，并且本發明方式可以結合任何公開的成像技術來使用以及用在醫療成像以外的不同環境中。 更確切地來說，圖1-5論述可從并入用于光數據和/或功率傳輸的納米光子調制器獲益的醫療成像系統的實施例，其中圖I是針對通用成像系統，圖2是針對X射線成像系統，如計算機層析X射線攝影(CT) /C型臂成像系統，圖3是針對PET/SPECT成像系統，圖4是針對超聲成像系統，以及圖5是針對MRI系統。而且，參考圖6-8在圖5的MRI系統環境中進一步詳細地描述了納米光子調制器的實施例以及將其集成到此類成像系統中。參考圖9-13 論述調制器的多種布置，以及參考圖14-16論述將納米光子調制器與圖5的MRI系統的RF線圈集成的實施例。鑒于前文，圖I提供通用化成像系統10的框圖示意。成像系統10包括用于檢測信號14的檢測器12。檢測器12可以包括一個或多個陣列的檢測元件，諸如光電二極管、線圈、聲換能器、閃爍器(scintillator)、光電倍增管等，以檢測信號14。信號14 一般可以包括某種形式的電磁或其他輻射，如伽馬射線、X射線、聲音回波、RF、聲波等。一般地，檢測器 12中的檢測元件越多，其在空間上解析此類輻射的能力越大，從而產生越高質量的圖像。但是，正如上文提到的，每個檢測元件可能需要分離的通道，這可能極大增加了電纜布線以及空間和能量需求。檢測器12響應檢測到的輻射生成電信號，并通過它們相應的通道將這些電信號經數據鏈路18發送到數據采集系統(DAS) 16。在典型的配置中，數據鏈路18包括必須予以集束、絕緣、保持熱恒定等的多個電線。根據本發明的方式，數據鏈路18可以有利地包括更少的線路(例如，單個波導線路或很少幾個光線路)以將檢測器12與DAS 16連接。而且，此光接口可以從離開檢測器12的所有通道傳送數據的完整集合。根據本實施例的數據鏈路18可以包括例如，具有光諧振器的多個調制器(例如，微環諧振器)，這些調制器利用特定光的波長將從檢測器接收的每個電信號(即，每個通道)編碼。可以將這些光的波長復用，并經例如一個或多個波導線路朝著DAS 16傳送。朝著數據鏈路18的端部(即，朝著 DAS 16)，波導線路可能碰到一系列的解復用器，一系列的解復用器被調諧到對每個通道光編碼的特定波長。即，將復用側上的每個光諧振器調諧到解復用器側上的特定光諧振器。使用換能器(例如，光電二極管)將每個通道轉換回電信號，并將其提供到DAS 16。結合圖6 進一步詳細地論述這種方式。但是，應該注意，至少從檢測器12至DAS 16的數據的光傳輸通常將需要更低成本、更少能量、更小的物理空間等。一旦DAS 16獲得電信號(可能是模擬信號)JUDAS 16可以將該數據數字化或以其他方式調整以便更易于處理。例如，DAS 16可以基于時間(例如，在時間序列成像例行程序中)濾波圖像數據，可以針對噪聲或其他像差等來濾波圖像數據。DAS 16然后將數據提供到它在操作上連接的控制器20。控制器20可以是專用計算機或具有適當配置的軟件的通用計算機。控制器20可以包括配置成執行諸如成像協議、數據處理、診斷評估等的算法的計算機電路。例如，控制器20可以指令DAS 16以在某些時間上執行圖像采集、濾波某些類型的數據等。此外，控制器20可以包括用于與操作員接口的特征，例如以太網連接、因特網連接、無線收發器、鍵盤、鼠標、軌跡球、顯示器等。鑒于此方式，圖2是圖示可以根據上文提到的方式并入多種納米光子特征的X射線成像系統30的實施例的框圖。X射線成像系統30可以是檢驗系統(例如，用于質量控制、包裝篩檢和安全性篩檢)，或可以是醫療成像系統。在圖示的實施例中，系統30是X射線醫療成像系統，如CT或C型臂成像系統。就系統30的配置而言，它在設計上與結合圖I 描述的通用化成像系統10相似。例如，系統30包括操作上連接到DAS 16的控制器20，DAS 16允許通過檢測陣列受控地采集圖像數據。在系統30中，為了能夠收集圖像數據，控制器 20還在操作上連接到X射線的源32，該射線源可以包括一個或多個X射線管。控制器20可以經控制鏈路34向X射線源32提供多種控制信號，例如定時信號、成像序列等。在一些實施例中，控制鏈路34還可以經控制鏈路34向X射線源32提供功率， 如電功率。根據本發明實施例，控制鏈路34可以并入一個或多個光子數據和/或功率輸送系統，正如下文將詳細描述的。一般地，控制器20將向X射線源32發送一系列信號以啟動 X射線36的發射，該X射線36指向感興趣的受檢者，如患者38。患者38體內的多種特征 (例如，組織、骨骼等)將使入射的X射線36衰減。衰減的X射線40通過患者38，然后撞擊檢測器42 (例如，檢測器面板或相似的檢測器陣列)以產生表示對應的數據掃描(即，圖像)的電信號。在數字檢測器的情況中，檢測器42可以包括如閃爍器、二極管等的數百個或數千個檢測元件。正如上文提到的，每個檢測元件可能需要單個通道以用于數據傳輸，這可能限制檢測器42內的檢測元件的數量。但是，根據本發明實施例，可以將它們進行光調制，復用，經由數據鏈路18傳送，并解復用。因此，本發明實施例還可以允許減少當至少檢測器42與DAS 16耦合時的電布線以及關聯的特征。在一些成像環境中，可能重要的是傳送可能基本同時獲得的信息，以便將獲得的信號彼此相關。一種此類成像環境是PET成像系統，圖3中圖示了其實施例。確切地來說， 圖3圖示在檢測器陣列52與DAS 16之間具有數據鏈路18的PET成像系統50的實施例的框圖。在PET成像中，檢測器52 —般配置成環繞著患者38。確切地來說，PET系統50的檢測器52通常包括布置在一個或多個環中的多個檢測器模塊。為了簡潔，圖示的實施例描繪了兩個區域的檢測器52，其相隔大約180度安設以便基本同時地捕獲在成像期間發射的成對伽馬射線。應該注意在其他實施例中，如在SPECT實施例中，檢測器52可以安設為環，但是檢測一個光子，而非像PET中那樣檢測同時發生的光子對。檢測器52檢測衰變放射性核素從患者38體內生成的光子。例如,可以將放射性核素注入患者38體內，并且可以被某些組織(例如，具有異常特征的組織，如腫瘤)選擇性地吸收。隨著放射性核素衰變，發射正電子。正電子可能與互補電子(例如，來自組織內的原子)碰撞，這導致湮沒事件。在PET 中湮沒事件導致第一伽馬光子和第二伽馬光子54、56的發射。第一伽馬光子和第二伽馬光子54、56可能在彼此成約180度的分離區域處撞擊檢測器52。通常，第一伽馬光子和第二伽馬光子54、56大約同時地(S卩，同時發生)撞擊檢測器52，并且彼此相關。然后可以定位湮沒事件的起源。對于多個湮沒事件重復此操作，這一般產生其中出現異常組織的對比度增強的圖像。就此而言，應該注意，檢測器52可以有利地包括多個檢測元件以便能夠允許高空間分辨率，從而產生足夠質量的圖像。例如，通過檢測多個伽馬射線對，以及計算這些對所途徑的對應線路，可以估算人體的不同部分中放射性示蹤劑的濃度，并可以由此檢測腫瘤。因此，精確地檢測和定位伽馬射線構成PET系統50的基本和首要目標。有利地，本發明實施例提供了經由數據鏈路18對從檢測器52到DAS 16的數量增加的數據通道的利用。正如上文提到的，這允許使用與完全的電配置相比數量增加的檢測元件，從而提高此類 PET掃描產生的分辨率和圖像質量。在一些實施例中，該檢測器可以與源是一整體，以便單個成像部件(例如，探頭) 產生聲能并將其引導向患者，然后檢測返回的任何最終聲波。此類實現的示例是超聲成像系統，圖4中圖示了其實施例。確切地來說，圖4圖示超聲成像系統60的實施例，其兼具 DAS 16和操作上連接到超聲源/檢測器62的(即，超聲探頭)的控制器20。根據上文描述的方式，超聲源/檢測器62可以經由數據鏈路18以光的方式連接到DAS 16。此外，控制器20可以經由控制線路64以光的方式連接到超聲源/檢測器62，以便提供控制信號、功率等來指令患者數據的采集。例如，超聲源/檢測器62可以包括患者面對或接觸表面，該患者面對或接觸表面包括具有多個換能器的換能器陣列。每個換能器能夠在由控制器20指令的、通過脈沖波形賦能時產生超聲能量66。例如從患者38向換能器超聲源/檢測器62 反射回超聲能量68，并將其轉換到電信號，利用該電信號構造有用的圖像。與上文論述的其他設備一樣，最終圖像的分辨率可以直接取決于探頭內的檢測元件的數量。應該注意，在這種成像環境中，如當源和檢測器是手持的時，一般在與其他設備比較時，空間可用性可能極大地受限。因此，本發明的方式實現以光方式經由鏈路64向超聲源/檢測器62提供功率和數據。因此，圖像數據從超聲源/檢測器62向DAS 16的傳輸可以是數據鏈路18上的光方式的。這種功率和數據傳輸還可以應用于MRI系統，其中由用戶(例如，放射科醫生)啟動特定的成像例行程序。圖5中圖示這種系統的實施例，其中描繪了磁共振成像系統70， 該磁共振成像系統70包括掃描器72、掃描器控制電路74和系統控制電路76。此外，系統 70包括如圖片歸檔和通信系統(PACS)78的遠程訪問和存儲系統或裝置，或如遠程放射設備的其他裝置，以便可以在現場或非現場訪問系統70獲得的數據。雖然MRI系統70可以包括任何適合的掃描器或檢測器，但是在圖示的實施例中，系統70包括全身體掃描器72， 全身體掃描器72具有殼體80，穿過殼體80形成孔82。工作臺84可移動到孔82內以允許將患者38定位于其中以便對選定的解剖結構成像。掃描器72包括一系列關聯的線圈，用于產生一個或多個受控磁場和用于檢測來自被成像的患者38的解剖結構內的旋磁材料的發射。提供主勵磁線圈86用于生成與孔82 大致對齊的主磁場。一系列的梯度線圈88、90和92允許在檢查序列期間生成受控的磁梯度場。提供射頻(RF)線圈94，用于生成激勵旋磁材料的射頻脈沖，例如用于自旋準備、弛豫加權、自旋微擾或層面選擇。分離的接收線圈或相同的RF線圈94可以在檢查序列期間從旋磁材料接收磁共振信號。掃描器72的多種線圈由外部電路來控制以通過受控的方式生成期望的磁場和脈沖，以及從旋磁材料讀取發射。在一個實施例中，提供主電源96，用于對主場線圈86供電。 提供驅動器電路98，用于對梯度場線圈88、90和92產生脈沖。此類電路通常包括放大和控制電路，該放大和控制電路用于按掃描器控制電路74輸出的數字化脈沖序列所定義的，向線圈提供電流。提供另一個控制電路102，用于調整RF線圈94的操作。在一些實施例中， 電路102可以包括開關裝置，用于在有源模式和無源模式的操作之間交替，在有源模式和無源模式的操作中RF線圈分別傳送和接收信號。但是，在圖示的實施例中，電路102與接收線圈陣列103(例如，可以放置在患者38上的陣列)通信。根據本發明公開，接收線圈陣列103包括與電路102的光接口，該光接口例如用于數據的往返傳送、控制信號的提供等。 電路102還包括用于生成RF脈沖的放大電路以及用于處理接收器陣列103接收的磁共振信號的接收電路。結合圖6-8進一步詳細描述在線圈、放大器和電路102之間傳送功率和 /或數據所采用的方式。掃描器控制電路74包括接口電路104，接口電路104輸出用于驅動梯度場線圈 88-92和RF線圈94的信號以及用于接收表示檢查序列中產生的磁共振信號的數據。接口電路104還耦合到控制電路110。控制電路110基于經系統控制電路76選擇的定義的協議執行用于驅動電路102和電路98的命令。控制電路110還用于接收磁共振信號并執行后續處理，然后將該數據傳輸到系統控制電路76。掃描器控制電路74還包括一個或多個存儲器電路112，一個或多個存儲器電路112存儲配置參數、脈沖序列描述、檢查結果等。接口電路114耦合到控制電路110，用于在掃描器控制電路74與系統控制電路76之間交換數據。 此類數據將通常包括要執行的特定檢查序列的選擇、這些序列的配置參數以及可以原始形式或已處理形式從掃描器控制電路74傳送以進行后續處理、存儲、傳輸和顯示的獲取的數據。系統控制電路76包括接口電路116，接口電路116從掃描器控制電路74接收數據并將數據和命令傳送回掃描器控制電路74。接口電路116耦合到控制電路118，控制電路118可以包括多用途或專用計算機或工作站中的CPU。控制電路118耦合到存儲器電路 120以便存儲MRI系統70的操作的編程代碼以及存儲處理的圖像數據以供后來重構、顯示和傳輸。可以提供附加的接口電路122，用于與例如遠程訪問和存儲裝置78的外部系統部件交換圖像數據、配置參數等。最后，系統控制電路118可以包括用于協助實現操作員接口和用于產生重構的圖像的硬副本的多種外圍裝置。在圖示的實施例中，這些外圍設備包括打印機124、監視器126和包括如鍵盤或鼠標的裝置的用戶接口 128。鑒于圖5的MRI系統70的操作和通用配置，將在從RF接收線圈陣列103傳送到圖像處理電路(例如，掃描器控制電路74和/或系統控制電路76)的磁共振(MR)數據的環境中描述納米光子數據輸送的本發明方式。因此，為了利于這種納米光子數據輸送的論述，納米光子系統140并入用于從陣列RF接收線圈142 (其可以與圖5的陣列103相似) 向結合圖6描述的圖像處理電路進行數據的光傳輸的特征。應該注意，可以將全部或部分的納米系統140集成在單個芯片或多個芯片上，并且傳送的數據可以是模擬的和/或數字的。在圖示的實施例中，納米光子系統140描繪為包括光調制器144的陣列，光調制器 144配置成將表示磁共振數據的電信號(例如，數字信號或模擬信號)轉換成光信號。在廣義的意義上來說，每個光調制器144可以包括一個或多個光諧振器，該一個或多個光諧振器配置成以與其他光調制器的每個不同的波長工作。確切地來說，每個調制器144調制光束內包含的不同光子子集，以便將以相應的數據集合對該光子子集編碼以產生編碼的光子子集。每個光子子集可以如此分類該子集可以含有具有相近波長(例如，彼此幾個rim 內)、相同波長、相同偏振的多個光子，或基本同時地到達調制器的多個光子。正如本文定義的，光子子集可以包含使它們可以相對于單個量子所聯想到的行為呈現集合行為的多個光子。通過光刻或通過熱調諧來獲得諧振器呈現的波長控制。在圖示的實施例中，系統140 可以采用微環諧振器、陣列波導光柵和/或Mach-Zender干涉儀的任何一種或其組合，以用于對光束內包含的光子子集執行光復用和/或解復用的目的。而且，每個諧振器/光子元件也設計成以獨有的光波長工作。在納米光子系統140的工作期間，RF線圈142各接收相應的MR信號。然后將MR 信號轉換成電信號146(例如，模擬或數字)，然后將其導向到它們相應的放大器148。例如， 這些放大器可以是低噪聲放大器(LNA)，其使用介于約0. 005瓦特(W)與IW之間的能量來驅動(例如,介于約5mW與約500mW之間或約1/3W)。在一些配置中，LNA可生成拉莫爾頻率(通常分別在I. 5T和3T的氫核的大約64MHz或128MHz處，但是可能為對應于31P、13C或其他核的其它頻率處)附近的窄帶寬內的MR兼容的低噪聲，以便避免將噪聲引入線圈142 處接收的MR信號。這些放大器將電信號146放大，然后將其作為放大的電信號150發送到光調制器144的陣列，例如作為放大的模擬信號或放大的數字信號。
在與將數據傳輸到光調制器144的陣列基本同時進行的過程中，光源152(例如， 一個或多個LED、二極管激光器、微環激光器等)通過波導156(例如,光纖導管)發送光束 154。光束154可以包含一個或多個光波長。即，該光束可以包含多個光子子集，其中每個子集具有相應的偏振或波長等。雖然圖示的實施例將系統140描繪為包括單個波導，但是應該注意，本文可設想使用更多波導，如往多個光調制器的一系列波導或用于向光調制器傳輸的波導和用作從調制器載送調制的光信號的引入線的分離波導。下文結合圖9-13論述此類實施例。如圖6所示，光束154沿著波導156傳送，并碰到光調制器144的陣列。在廣義意義上而言，波導156可以是單模光纖或多模光纖，并且可以包括僅一個光纖或多個光纖，或可以是蝕刻到硅芯片中的通道。此外，波導線路156可以是二氧化硅基波導材料，或可以包含本領域中公知的波導材料的任何一種或其組合，例如二氧化硅、氟鋯酸鹽、氟鋁酸鹽、硫屬化物、藍寶石和/或塑料材料。當光束154碰到光調制器144的陣列時，每個調制器以它們相應線圈142處接收的MR數據將光束154的一部分編碼，產生變得逐漸調制的(例如， 因為它碰到更多光調制器)的光束158。例如，光束154可以包含可調諧多個光調制器144 的其中之一的多個波長(或偏振或時間)。根據本發明的方式，可以按小如數納米(nm)或大如微米來分隔能夠由調制器144區分性地編碼的波長。在一些實施例中，將光調制器144 調諧到的波長可以在約1520nm至約1570nm( S卩，約I. 57 μ m)的范圍內。在圖示的非限制性實施例中，系統140包括五個不同的光調制器，調制器144a、144b、144c、144d和144e，它們可以調諧到光束158中包含的相應波長(例如，分別為Xa、Xb、λ。、λε)。以此方式，光調制器144a可以通過從其相應RF線圈接收的磁共振數據將波長Xa編碼，以及調制器144b可以通過從其相應RF線圈接收的磁共振數據將波長Xb編碼，等等。在圖示的實施例中，在光束158碰到光調制器144e之后，可以通過波導156傳送已經通過來自RF接收線圈142的MR數據完全編碼的光束160。S卩，將光束160與由RF線圈142捕獲的數據復用。 因此，應該注意，可以隨著在RF線圈142處收集MR數據基本連續地執行上文描述的過程。—旦產生了完全編碼的光束160,光纖156沿著碰到多個光諧振器162的路徑傳送光束160，這些光諧振器162 —般配置成將光束160解復用。因此，當光束160碰到多個光諧振器162時，可以產生隨著其碰到諧振器162而變為逐漸解復用的光束164。例如，光束160可以碰到光諧振器162a、162b、162c、162d和162e，其中與光調制器144a_144e的情況一樣，它們可以分別調諧到波長Xa、Ab> λ。、Xe0在圖示的實施例中，將碰到的第一個光諧振器是諧振器162e，其可以調諧到波長Xe0光束164然后碰到諧振器162d，諧振器162d可以調諧到不同的波長(例如，λ d)，等等，直到到達最后一個光諧振器162a為止。應該注意，雖然光束160圖示為按上文描述的次序碰到光諧振器，但是本發明的方式還可設想使用任何次序的解復用，從而使諧振器162能夠調諧到任何期望的波長和能夠實現任何期望的復用/解復用次序。如上文所述在每個相應波長處解復用時，每個光諧振器162產生相應的光信號 166，該光信號166—般可以包含該諧振器所調諧到的一個或多個波長。以此方式，諧振器 162e處產生的光信號166包含波長Xe等。當然,光信號166可以沿著相應的波導線路傳送，在這些相應的波導線路中將光信號166導向到光檢測器陣列168以便產生相應的電信號170。檢測器168可以包括光檢測器，例如光電二極管陣列、鍺波導集成的檢測器或能夠用作換能器以從光信號166生成電信號170的任何光檢測器。在光檢測器168處產生的電信號170表示在RF線圈142處檢測到的MR數據。因此，將電信號170發送到處理電路(例如，掃描器控制電路74和/或系統控制電路76)以便允許處理、存儲和/或解釋MR數據。
圖6所示的實施例包括配置成以光方式將數據從RF線圈142傳送到MR系統70的一個或多個處理電路的特征，而圖7圖示配置成向驅動調制器144的放大器148的陣列提供光功率的系統180的實施例。系統180包括兼用于光功率輸送和光數據傳輸的特征。但是，在一些實施例中，可以僅提供光功率輸送。實際上，在一些實施例中，本文描述的與光子功率輸送相關的特征可以在單個芯片上實現，例如硅芯片(例如，絕緣體上硅(SOI)芯片)。 而且，上文描述的與光子數據傳輸相關的特征可以在相同的或分離的芯片上實現。因此，本文描述的方式可以完全在單個芯片上或多個芯片上實現。鑒于圖6所述的系統140的操作， 圖7所示的系統180其中包括光功率源182，光功率源182配置成輸出光束184以用于實現對放大器陣列148的最終功率輸送。一般地，光功率源182包括一個或多個激光器，其能夠基本持續地輸出足夠量的功率以便驅動放大器148以及至少部分地驅動光調制器144。根據本發明實施例，每個放大器148可以利用介于約O. 3瓦特(W)與約IW之間。但是，應該注意，本發明的方式還可應用于使用更多或更少功率的放大器。因此，光功率源182可以包括能夠各輸出高達約幾個毫瓦(例如，約lmW、5mW、10mW等)的一個或多個激光器。光功率源182產生的光束184可以包括一個或多個波長，該一個或多個波長可以由光功率源182內的光源的配置和/或數量來確定。例如，光束184可以包括例如來自寬帶激光器和/或以相應的帶寬和波長工作的多個激光器的一個或多個可見波長。光束184 通過波導186導向到換能器188。波導186可以是二氧化硅基波導材料，或可以包含本領域中公知的波導材料的任何組合，例如二氧化硅、氟鋯酸鹽、氟鋁酸鹽、硫屬化物、藍寶石和 /或塑料材料。在廣義意義上而言，換能器188接收光束184并作為結果產生電信號190。換能器188可以安設在一個或多個線圈142上或可以與線圈142分開，并且可以包括光電二極管或基于光檢測產生電信號的任何光檢測器，如光電倍增管(PMT)等。在一個實施例中，換能器188可以是在一個或多個可見波長上工作的硅基二極管。而且，換能器188可以配置成耗散由光束184的接收而生成的至少部分熱。一旦換能器188產生電信號190，則將其提供到開關模式電源192。開關模式電源 192 一般配置成調整電信號190以便提供與放大器148和調制器144使用兼容的調整的電信號194。例如，開關模式電源192可以轉換AC和/或DC電壓并生成具有適于配合系統 180的電子裝置(例如，線圈142、放大器148)和/或調制器144使用的功率的調整的DC電壓。如圖7所示，將調整的電信號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，在一些實施例中，還可以將電信號194提供到調制器144。除了上文結合圖6和圖7描述的光子功率輸送和光子數據傳輸特征外，本發明的方式還提供系統200，如圖8所示，其用于實現控制信號至線圈142的光子輸送。因此，圖8 所示的系統200 —般提供至用來接收圖5的MRI系統70內的MR信號的特征的基本完全的光接口。因此，鑒于分別結合圖6和圖7描述的系統140和180的特征和操作，系統200包括用于以光的方式調制一個或多個線圈控制信號202，以及用于以光的方式將控制信號輸送到線圈142的特征。
為了使系統200能夠以光的方式將控制信號輸送到線圈142，除了線圈142處接收的MR信號的光調制外，圖示的光源152還包括多個微環激光器152a、152b、152c、152d、152e 和152f。這些微環激光器通過將光增益介質集成在透明光共振腔(optical cavity)上來形成。該共振腔可以是微環/微碟或ID布拉格光柵。作為備選，可以使用具有非線性光學過程的光共振腔以產生光波長的梳(comb)。確切地來說，每個微環激光器配置成調諧到相應的光調制器144和相應的解復用光諧振器162。例如，調諧微環激光器152a，以產生入a， 如上所述，Xa是調制器144a和諧振器162a工作所在的波長。查閱圖8時，將意識到，微環激光器的數量一般超過光調制器144和光諧振器162的數量。一般地，將附加的微環激光器(在圖示的實施例中包括微環激光器152f)配置成產生一個或多個附加的波長(Xf)，其調諧到配置成調制線圈控制信號202的光調制器204。因此，在系統200的工作期間，除了上文結合圖6和圖7描述的操作外，還將電線圈控制信號202調制成光信號，其成為光束154的一部分。隨著光束154通過波導156行進，它碰到解復用光諧振器206。隨著光束154碰到光諧振器206,產生表線圈控制信號 202的光信號208 (即，從光束154解復用的)。經一個或多個光纖210將光信號208傳送到換能器212，換能器212可以是光電二極管等。換能器212將表示線圈控制信號202的光束208轉換回電域。因此，產生可以與電線圈控制信號202相同的電信號214，并將其提供到線圈陣列142。以此方式，電信號214可以控制線圈陣列142的操作。應該注意，雖然圖示的實施例提供將一個電信號214提供到線圈陣列142，但是每個通道，即每個線圈可以具有不同且分離的一組調制器204、諧振器206和換能器212。因此，可以直接將調制器204、 諧振器206和換能器212的任何一個或其組合安設在線圈中任何一個或其組合上，以使調制器204和/或諧振器206和/或換能器212 (和任何關聯的波導)的數量等于通道的數量。應該注意，本文描述的光調制器的任何一個光調制器可以使用一個或多個光諧振器來實現。例如，為了達到適合的動態對比率、適合的線性度等，可能期望以與光纖相似的方式配置這些調制器，其中利用多個諧振器。結合圖9圖示系統220的這種實施例的示例， 其對于每個調制器具有多個諧振器。確切地來說，圖9包括光源222，光源222可以具有與圖6-8的光源152相似的配置。光源222產生一個或多個光束224，一個或多個光束224沿著第一波導226載送并可以碰到上文結合圖6描述的電MR信號。然后光束224碰到調制器228，調制器228配置成將表示在RF線圈之一處接收的 MR數據的電信號轉換到光域，并且包括多個諧振器230、232、234。確切地來說，鑒于上述的波長識別慣例，可以將調制器228調諧到K。由此，將每個諧振器230、232、234調諧到K。 在Aa碰到最后一個諧振器(即，諧振器234)之后，將其提供到第二波導或引入線236。隨著光束224碰到調制器240、242和244，對其發生相似的過程，可以將調制器240、242和244 調諧到其他相應的波長(即，X b、X。和Xd)。以此方式，將載送MR數據的復用光束246發送到位于遠離掃描器72的處理區域的解復用特征。雖然圖9圖示的實施例描繪了采用線性方式的諧振器，但是應該注意，本文中可設想其他諧振器布置，并且可以使用濾波器設計所能聯想的方式來配置這些諧振器布置。 例如，圖10圖示與圖9所示的配置相似的線性配置的光諧振器。圖11圖示三角形布置，其中兩個光諧振器230、234連接波導228和236，并且將一個諧振器232安設在其他諧振器下方。圖12圖示一種實施例，其中將諧振器230和232安設在第一波導226附近，以及將諧振器234安設在引入線236附近。圖13圖示一種實施例，其中以與圖12的布置相似的布置安設這些諧振器，但是增加這些諧振器之間的間距以優化光傳送功能或在一些實施例中，這些諧振器不接觸。正如上文提到的，為了利于數據從RF線圈142的傳送，以及將MR系統70中使用的電線數量減到最小，可能期望將一個或多個光子數據傳輸特征直接安設在RF線圈142上。 圖14中圖示這種實現的實施例，其中描繪了四個諧振環共用一組光子數據傳輸特征的系統260。在這種實施例中，期望將光子數據傳輸特征集成到MR系統70內的可移動和/或可拆卸的單個構件上。此外，這種集成可以允許對現有MR系統70進行改進，以便減少電互連、導管線、平衡-不平衡變壓器等的數量。在圖示的實施例中，將結合圖6描述的光子數據傳輸特征的至少一部分集成到單個芯片262、264、266和268中。即，每個芯片包括至少放大器148、調制器144和波導156。為了允許隔開距離安設電線和處理設備以避免在MR掃描器72處產生的干擾，可以將每個芯片262、264、266和268連接到相應的波導270、272、274和276。以此方式，波導270、272、274和276允許至光源152和/或解復用諧振器168的遠距離連接。正如上文圖示和提到的，可以將四個諧振線圈142連接到單個芯片。就芯片262來說，將其配置成與諧振線圈142a、142b、142c和142d接口，可以將這些諧振線圈的每一個匹配到它們相應的放大器。以此方式，諧振線圈142a將其表示MR數據的電信號提供到放大器148a，放大器 148a再將其放大的電信號提供到光調制器144a，等等。結合圖15和圖16進一步詳細地描述將光調制器144配置成從RF線圈142接收信息并與光束接口的方式。確切地來說，圖15提供可熱調諧的光調制器布置的實施例，以及圖16提供可電調諧的開口環光調制器布置的實施例。現在參考圖15，提供用于調制從一個或多個諧振線圈282接收的MR數據的系統280的實施例。提供芯片284，其中包括放大器286、光調制器288和加熱元件290。下文描述系統280的操作。應該注意，諧振線圈282 —般配置成在掃描器72 (圖5)的發射RF線圈94已激勵自旋之后，從患者38體內的核自旋接收微弱的RF信號，并且當旋磁核返回到它們的平衡磁化時線圈282接收這些信號。因此，線圈282還可以具有除了圖示的實施例中的那些以外的特征，例如，用于在RF傳輸期間將線圈282去激活以避免掃描器72傳輸大量RF能量時損壞電部件的特征。例如，可以將微機電開關(MEMS)裝置安設在諧振線圈282上，并且可以防止線圈282在RF傳輸脈沖期間與掃描器72生成的RF能量諧振。因此，在工作期間，線圈282接收RF信號，該RF信號表示患者38的MR數據。線圈282然后產生表示該MR數據的電數據信號。放大器286然后放大諧振線圈282處產生的電數據信號。然后將放大的電數據信號以不平衡電信號的形式提供到光調制器288。在圖示的實施例中，由于與MR系統70的通用地分離的浮動基準地的原因，所以該電信號是不平衡的。確切地來說，放大器286經第一連接294和第二連接296與光調制器288接口。第一連接294與光調制器288的外部P區298 (即，P型半導體區)接口，第二連接296與光調制器288的內部η區300 (即，η型半導體區)接口。因此，光調制器288可以是PN-型二極管、PIN-型二極管或如PINIP裝置或MOS (金屬氧化物半導體)電容器的多層結構。光調制器288的p區298和n區300通過微環諧振器302彼此分隔開。微環諧振器302是由p區 298與n區300之間產生的偏壓調制具有特定波長的光子所在的區域。因此，傳送光束306 的光波導304 (例如，蝕刻到芯片中的波導)與光調制器288接口，并且以MR數據調制成編碼光束306內具有將光調制器288調諧到的波長的光波長子集以產生調制的或編碼的光束 308。為了使光調制器288能夠僅編碼或調制光束306內的光波長子集，加熱器290通過向調制器288的全部或部分提供熱能來調整跨過調制器288的偏壓。當然，光波導304可以與類似于調制器288但是具有不同目標波長以便能夠將光束304 (和/或束308)復用的多個光調制器接口。現在轉移到圖16，提供采用具有開口環調制器324的芯片322的系統320的實施例，其用于產生以MR數據編碼的光信號。關于線圈282和放大器側286，系統320的操作大致與系統280的操作相似。因此，鑒于此類特征的操作，本文描述開口環調制器324的操作。如上所述，放大器286具有與開口環調制器324的至少兩個連接。確切地來說，放大器286經第一連接326和第二連接328與開口環調制器324接口，其中這兩個連接均在開口環調制器324的第一側330上。以與上文所述的光調制器相似的方式，第一連接326與第一內部n區332接口，而第二連接328與第一外部p區334接口，它們被微環諧振器336 分隔開。就此而言，開口環調制器324調制光束306的方式大致與上文結合圖15描述的方式相似。但是，與圖15的光調制器288相比，開口環調制器324具有通過開口 340與第二側338分離的第一側330。調制器324的各部分之間的這種不連續性允許跨過開口環調制器324設置電偏壓，以便能夠調諧到一個或多個特定波長來實現調制。因此，將DC偏壓控制342連接到第二內部n區344，其中地346連接到第二外部p區348。以此方式，在第二側338上設置電壓以便跨過開口環調制器324產生偏壓來允許波長調諧。本書面描述使用示例來公開包括最佳模式的本發明，以及還使本領域技術人員能實踐本發明，包括制作和使用任何裝置或系統及執行任何結合的方法。還應該理解，本文公開的多種示例可以具有能夠與本文公開的其他示例或實施例組合的特征。即，本發明的示例是以簡化解釋的方式來呈示的，但是這些示例也可以彼此組合。本發明可取得專利的范圍由權利要求確定，且可包括本領域技術人員想到的其它示例。如果此類其它示例具有與權利要求字面語言無不同的結構要素，或者如果它們包括與權利要求字面語言無實質不同的等效結構要素，則它們規定為在權利要求的范圍之內。
權利要求
1.一種醫療成像系統，包括復用的光子數據傳送系統，其包括光調制器(144)，其配置成接收表示數據集合的電信號并且可操作以調制光束內包含的由時間、波長或偏振定義的光子子集，以便利用所述數據集合將所述光子編碼以產生編碼的光子；光波導(156)，其與所述光調制器(144)的至少一部分接口并配置成傳輸所述光束以使所述光子能夠由所述光調制器(144)調制；光諧振器(162)，其與所述光波導(156)通信并且配置成從所述光束移除所述編碼的光子；以及換能器(188)，其以光的方式連接到所述光諧振器(162)并且配置成將所述編碼的光子轉換成表示所述數據集合的電信號。
2.根據權利要求I所述的系統，其中，將所述光調制器(144)和所述光諧振器(162)調諧到所述光子子集的波長。
3.根據權利要求I所述的系統，其中，所述光調制器(144)包括微環諧振器(302)。
4.根據權利要求I所述的系統，其中，所述光諧振器(162)包括微碟、微環或光子晶體共振腔。
5.根據權利要求I所述的系統，其中，所述換能器(188)包括光電二極管陣列。
6.根據權利要求I所述的系統，包括配置產生所述光束的光源(222)。
7.根據權利要求6所述的系統，其中，所述光束包括多個光子子集，每個子集具有相應的波長，以及將所述光調制器(144)調諧成調制所述光束內包含的所述多個光子子集的第一子集，以便產生編碼的光子的第一集合。
8.根據權利要求7所述的系統，其中，所述多個光子子集的所述第一子集全部在將所述光調制器(144)和所述光諧振器(162)調諧到的波長范圍內。
9.根據權利要求8所述的系統，包括附加的光調制器(144)，其配置成接收表示附加的數據集合的電信號(146)并且可操作以調制所述光束內包含的、具有相應波長的所述多個光子子集的相應子集，以便產生編碼的光子的附加集合。
10.根據權利要求9所述的系統，其中，在碰到所述光調制器(144)時所述光束被復用。
11.根據權利要求10所述的系統，包括附加的光諧振器(162)，其調諧到所述多個光子的所述相應子集的所述相應波長。
12.根據權利要求I所述的系統，其中，所述數據集合包含提供到磁共振成像線圈的控制信號數據。
13.一種用于磁共振成像(MRI)系統(70)的升級工具箱，包括芯片(322)，其包括光子數據傳輸系統，其配置成與多個射頻(RF)線圈接口并可操作以將表示所述RF線圈處生成的磁共振(MR)數據的電數據信號轉換成表示所述MR數據的復用的光數據信號。
14.根據權利要求13所述的工具箱，其中，所述光子數據傳輸系統包括光調制器 (144)，所述光調制器(144)配置成從所述多個RF線圈的其中之一接收表示MR數據集合的電數據信號，并且調制光束內包含的光子子集，以便利用所述MR數據集合將所述子集編碼以產生編碼的光子集合。
15.根據權利要求13所述的工具箱，包括光子功率輸送系統，其具有可操作以產生第二光束的光源(222);波導(156)，其在所述波導(156)的第一端處耦合到所述光源(222) 并配置成傳送所述光束；以及換能器(188)，其耦合到所述波導(156)的第二端并配置成將所述光束轉換成電功率信號以對所述光子數據傳輸系統的至少一部分供電。
全文摘要
本發明名稱為“用于醫療成像系統中的光數據和功率傳輸的納米光子系統”。本公開針對使用納米光子元件的數據和/或功率的傳輸。例如，在一個實施例中，提供一種醫療成像系統。該成像系統包括復用的光子數據傳送系統，該復用的光子數據傳送系統具有光調制器，該光調制器配置成接收表示數據集的電信號并且可操作以調制光束內包含的由時間、波長或偏振定義的光子子集，以便利用該數據集將這些光子編碼以產生編碼的光子；光波導，其與光調制器(144)的至少一部分接口并且配置成傳送光束以使光子能夠由光調制器調制；光諧振器，其與光波導通信并且配置成從光束移除編碼的光子；以及換能器，其以光的方式連接到光諧振器并且配置成將編碼的光子轉換成表示數據集合的電信號。
文檔編號A61B5/055GK102599909SQ20111042933
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月9日 優先權日2010年12月9日
發明者C·J·哈迪, S·馬尼帕特魯尼 申請人:通用電氣公司