CN102472806A - 利用被赋予轨道角动量的光进行磁共振pH测量 - Google Patents

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Abstract

在一种pH测量系统中，磁体界定B0磁场，选定的偶极子与该B0磁场在检查区域中优先对齐。轨道角动量系统为电磁(EM)辐射赋予轨道角动量(OAM)并向所述检查区域发射被赋予OAM的EM辐射，以进行如下至少一项：(1)增强选定的偶极子与B0磁场的优先对齐，以及(2)激励对齐的偶极子以共振。接收线圈从共振的偶极子接收共振信号。分析或测量单元通过分析所述共振信号确定所述检查区域中的pH。

Description

利用被赋予轨道角动量的光进行磁共振pH测量
本申请涉及磁共振技术。本申请特别适用于使用磁共振(MR)测量pH，并将特别参考其加以描述。
典型地，在测量患者体内pH时，从患者收集流体样本并送到实验室，实验室利用台上实验室装备测量流体的pH。不过，这种方式仅限于来自单一时间点的样本，测量可能不会精确反映出感兴趣器官内部的pH水平。
直接插入感兴趣器官中的电极可能直接从感兴趣器官内部在长时期内进行连续pH测量。不过，这种方式需要有创程序以植入电极。也可以使用磁共振成像(MRI)或磁共振波谱(MRS)系统测量pH。MRI扫描器和MRS波谱仪能够通过测量T2弛豫速率或化学位移频率的变化来测量pH。T2弛豫速率或化学位移频率的变化与pH变化成比例地相关。令人遗憾的是，这种方式需要利用笨重且昂贵的MRI或MRS扫描器进行例行测试和筛选。
本申请提供了克服上述问题和其他问题的新的改进型pH测量装置。
根据一个方面，提供了一种pH测量系统。磁体界定B0磁场，选定的偶极子与所述B0磁场在检查区域中优先对齐。轨道角动量系统为电磁(EM)辐射赋予轨道角动量(OAM)并向所述检查区域发射被赋予OAM的EM辐射，以进行如下至少一项：(1)增强选定的偶极子与B0磁场的优先对齐，以及(2)激励对齐的偶极子以共振。接收线圈从共振的偶极子接收共振信号。分析或测量单元通过分析所述共振信号确定所述检查区域中的pH。
根据另一个方面，提供了一种测量pH的方法。界定B0磁场，选定的偶极子与所述B0磁场在检查区域中优先对齐。为电磁(EM)辐射X赋予轨道角动量(OAM)。向所述检查区域发射被赋予OAM的EM辐射，以进行如下至少一项：(1)增强所述选定的偶极子与所述B0磁场的优先对齐，以及(2)激励所述对齐的偶极子以共振。从共振的偶极子接收共振信号，通过分析共振信号确定检查区域中的pH。
一个优点在于实时测量pH。
另一个优点在于减小了测量pH的MR扫描器尺寸。
另一个优点在于基于MR的pH测量成本降低。
在阅读和理解以下详细描述之后，本发明的其他优点将被本领域的普通技术人员认识到。
本发明可以通过各种部件和部件布置，以及各种步骤和步骤安排而具体化。附图仅仅为了图示优选实施例，不应被解释为限制本发明。
图1是根据本申请的pH测量装置的示意图；
图2是根据本申请的磁共振pH测量设备的示意性图示；
图3是根据本申请能够插入患者体内的导管的剖视图，该导管承载被赋予OAM的光；
图4是根据本申请的台面pH测量设备的示意性图示。
轨道角动量(OAM)是所有携带方位角相位的光的固有性质，与界定OAM所针对的轴的选择无关。在与电子学上不同且隔离的系统(例如自由原子或分子)相互作用时，OAM可以从电磁(EM)辐射，例如光、X射线等被转移到运动的质心。
各种试验利用了被赋予OAM的光与物质的相互作用，例如，光学镊子、高吞吐量光学通信信道、光学加密技术、光学冷却、光子与OAM的纠缠以及分子量子数与相互光子的OAM的纠缠。因为角动量是守恒量，所以被吸收光子的OAM被整体转移给相互作用的分子。结果，电子状态到达饱和自旋态，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，分子的磁控管进动运动沿着入射光的传播轴取向。这些效应使得能够通过用承载自旋和OAM的EM照射它们来使流体之内的原子核超极化。
对电磁(EM)场进行分析表明有EM能量流，其第一分量沿着射束传播的矢量行进，EM能量的第二分量绕着射束传播轴旋转。第二分量与射束传播附近的位势矢量的角度变化成比例。这是重要的，因为旋转能量流与“l”，OAM值成比例，并且转移到EM相互作用的分子的旋转能量根据OAM的值增大。
在携带自旋和OAM的EM被分子吸收时，角动量守恒，在辐射的吸收和发射期间系统(辐射和物质两者)的总角动量不变。在光子被原子吸收时，原子的所得角动量等于其初始角动量加上被吸收光子的角动量的矢量和。
在光子与分子相互作用时，仅有电子的OAM直接耦合到光跃迁。不同类型的角动量通过各种相互作用，例如自旋轨道、自旋、超精细、OAM旋转等彼此耦合。光子的极化通过电子轨道经由这些相互作用流到分子的核自旋、电子自旋和分子自旋。光子和分子之间的相互作用大小与光子的OAM成比例。结果，分子矩在被赋予了自旋和OAM的入射光的传播轴方向上对齐，与入射光的OAM含量成比例。
显然，可以为任何电磁辐射赋予OAM，未必仅是可见光。所述实施例使用可见光，其与活组织的分子相互作用而无任何损伤效果；不过，也考虑到超过或低于可见光谱的光/辐射，例如红外线、紫外线、X射线等。
参考图1，为光赋予OAM的OAM系统10包括白光或其他EM辐射源12，其产生被发送到OAM赋予模块13的可见白光或其他EM辐射，为光或其他EM辐射赋予轨道角动量。OAM赋予模块13包括射束扩展器14。射束扩展器14包括进入口准直器、分散透镜、重新聚焦透镜和出口准直器，通过出口准直器发射分散最小的频率。
在射束被扩展之后，使光束被圆偏振。线偏振器16为非偏振光给予单一线偏振。四分之一波片18通过将线偏振光的相位偏移1/4波长使线偏振光束发生圆偏振。使用圆偏振的光具有使电子极化的附加益处。
使圆偏振光通过可调整的相位全息图20，向入射光束授予可选量的OAM和自旋。可以将相位全息图20物理地实现于空间光调制器中，作为硅上液晶(LCoS)面板，或者可以将其实现于其他光学系统中，例如柱面透镜或波片的组合，或作为固定相位全息图。
空间滤波器22放在相位全息图后方，以选择性地阻挡0阶衍射束，即没有OAM的光，并允许仅有一个OAM值的光通过。由于系统的OAM是守恒的，所以让整束光通过会起相反作用，因为转移到目标分子的净OAM会是零。
利用凹面镜24收集被赋予OAM的衍射光束并利用物镜26将其聚焦在检查区域30上。或者，如果采用相干光，镜片24可能不是必要的。此外，可以用替代的光导、光学纤维等替换或补充透镜。
检查区域30被界定为与物镜26相邻。磁体32设置为与检查区域30相邻，以生成与物镜26发射的被赋予OAM的辐射的路径垂直的B0磁场。使OAM系统10脉冲化以在检查区域30中与B0场优先对齐的选定极化偶极子中激励共振。
7在图示的实施例中，第二OAM系统10′将被赋予OAM的EM引导到检查区域30中以增强选定的偶极子的极化。第二OAM系统10′可以与第一OAM系统10相同，或者可以包括镜片以将来自第一OAM系统10的被赋予OAM的EM辐射重新引导到检查区域30中。
接收线圈34从极化偶极子接收共振信号，该极化偶极子被来自第一OAM系统10的被赋予OAM的EM辐射激励而共振。接收器36对信号解调，在一个实施例中，处理器38确定磁共振(MR)频率。同一个或另一处理器38′将所确定的共振频率与来自存储器40的，将选定的偶极子的共振频率与pH相关的表格、图表、曲线图、方程、算法等进行比较。显示器42显示与针对选定的偶极子确定的MR频率对应的pH。
在另一个实施例中，控制器54控制第一OAM系统10以在来自共振的偶极子的MR信号中诱发自旋回波。处理器38确定自旋回波的衰减速率，尤其是T2或T2*关系时间，将其与存储器42中将弛豫时间值与pH相关的表格、图表、曲线图、方程、算法等比较。或者，考虑其他类型的回波。作为另一替代方案，无需诱发回波而测量所诱发的共振信号的弛豫值。
在另一个实施例中，将检查区域30分成多个体素，测量其每个的pH。一个体素可能对应于血液，另一个对应于相邻的器官。例如，通过更弱的均匀磁体、电磁等产生的梯度磁场实现空间编码。或者，磁体32是永久磁体或电磁体，被配置成提供具有沿一个或多个方向的永久梯度的B0场，以实现空间编码或频率编码。
参考图2，在另一个实施例中，OAM系统实现于导管或其他微创装置50中，例如针、内窥镜、腹窥镜、电子药丸等，并直接插入感兴趣区域中。光或其他EM辐射源12和OAM赋予单元13可以位于静脉内装置外部，静脉内装置由光学纤维连接，光学纤维将光引导到导管50的顶端。或者，OAM赋予单元13与微创装置的远端相邻。EM辐射源12可以与远端相邻或者可以通过另一光学纤维远程安装并耦合到OAM赋予单元13。在这一实施例中，MR扫描器的主磁体生成B0场并将选定的偶极子与B0场对齐。通过施加来自OAM系统10″的被赋予OAM的光或其他EM辐射，使对齐的偶极子发生共振。RF接收线圈可以设置在导管的远端、末端或顶端或从外部布置在检查区域中或附近，例如局部接收线圈52。诱发的共振信号被RF接收线圈接收并被接收器56解调。在另一个实施例中，在通过经真皮无创表面探头58的血液流动通过检查区域时，利用被赋予OAM的光照射该血液以诱发共振。
为了采集受检者体内检查区域的pH测量结果，将受检者放在MR扫描器的成像区域内部。序列控制器60与梯度放大器62和OAM装置10″通信以在感兴趣区域中的选定的偶极子中诱发并操控共振，例如重复的回波、稳态或其他共振序列，有选择地操控或扰动共振，或以其他方式生成表征检查区域中偶极子的选定磁共振信号。将RF线圈组件54、56探测到的所生成的共振信号发送到分析或测量单元64。测量单元64通过测量从所探测的共振信号确定的弛豫值，例如T2弛豫速率的变化来确定pH值。测量单元64的测量处理器66定期从感兴趣区域采集回波。处理器66将T2弛豫值与存储器68中存储的包括T2弛豫速率值和相应pH值的查找表、图表、曲线图、方程、算法等进行比较，并确定与所接收的MR信号的T2弛豫值对应的pH值。
在另一个实施例中，通过向患者体内注射已知的参考偶极子来测量未知偶极子的pH。序列控制器60控制OAM系统10″以同时在已知和未知的偶极子中诱发共振。典型地，已知和未知的偶极子在B0场的场强下具有不同的特性MR频率。如上所述测量参考偶极子的pH并用于使未知分子的弛豫速率与pH相关。计算已知的参考偶极子的弛豫值并与存储器68中存储的查找表比较，通过对多个测得的pH值进行内插和外插为未知的偶极子导出类似的表格等。
在另一个实施例中，通过测量化学位移值的变化来采集pH测量结果。测量单元64的处理器66计算探测到的共振信号的频率和参考共振信号频率的频率，例如在pH为7.0时给定B0场中的所测量的偶极子的共振频率之间的差异。从频率差异与参考信号频率之比确定化学位移值。在测量已知分子的pH时，将确定的化学位移值与存储器68中存储的包括化学位移值和对应pH的查找表、图表、曲线图、方程、算法等进行比较。
在另一个实施例中，通过向患者体内注射已知的参考偶极子来测量未知的偶极子的pH。计算未知和参考偶极子的化学位移并将参考偶极子的化学位移与存储器68中存储的查找表比较。然后将针对参考偶极子确定的pH归因于所测量的未知偶极子的化学位移。
所得的pH测量结果被视频处理器70处理并在装备了人可读显示器的用户接口72上显示。该接口72例如是个人计算机或工作站。除了产生视频图像之外，pH测量结果还可以被打印机驱动程序处理并打印，通过计算机网络或因特网传输，被转换成数字或模拟读出值等。
在另一个实施例中，用承载OAM装置的表面探头装置58挤压颈动脉，使其充分接近，使得被赋予OAM的光将穿透到内部的血液。如前所述，可以使用OAM装置激励共振以及使流经感兴趣区域的血液中的偶极子的原子核对齐或超极化。在超极化原子核流经受检者的血流时，利用装置56测量来自超极化原子核的共振。
在另一个实施例中，参考图3，超极化装置完全包含在导管50系统之内。导管50包括细长部分80和配置成插入患者体内的远端82。细长部分80包括光学纤维或其他光导，以从光源12向远端82发射光，或者在光源定位在远端时，为光源供电。远端包括：磁体84，其用于在导管的远端82产生B0磁场，以界定远端处的B0场方向和共振频率；任选的梯度磁性线圈，其用于利用梯度场对主磁场进行空间编码；以及RF线圈86，其接收磁共振。
由OAM赋予单元13为来自光源的光赋予OAM。被赋予OAM的光遇到部分镜面板88，其允许一部分光传递到第一物镜90。另一部分光被反射到第一镜片92并到达第二镜片94上，然后其通过第二物镜96，第二物镜与第一物镜正交取向。其他光学取向也可能实现同样的结果，并且也在考虑之内。或者，部分镜面板88可以是完全镜面闸板(shutter)，其有选择地使被赋予OAM的光通过以到达每个物镜。
在另一个实施例中，参考图4，台面pH值测量系统100包括用于插入样本102中的部分。台面系统100包括光源12、OAM赋予单元13、用于通过样本102建立B0场的磁体104、用于接收磁共振的RF接收线圈106以及用于计算样本的pH值的测量单元64。
已经参考优选实施例描述了本发明。他人在阅读和理解前述详细描述之后可能想到修改和变更。旨在将本发明解释为包括所有这样的修改和变更，只要它们落在所附权利要求或其等价物的范围之内。

Claims (17)

1.一种pH测量系统，包括：
磁体(32，84，104)，其界定B0磁场，选定的偶极子与所述B0磁场在检查区域(30)中优先对齐；
轨道角动量系统(10，10′，10″)，其为电磁(EM)辐射赋予轨道角动量(OAM)并向所述检查区域(30)发射被赋予OAM的所述EM辐射，以进行如下至少一项：(1)增强所述选定的偶极子与所述B0磁场的所述优先对齐，以及(2)激励所对齐的偶极子以共振；
接收线圈(34，52，86，106)，其从所述共振的偶极子接收共振信号；
分析或测量单元(64)，其通过分析所述共振信号确定所述检查区域中的pH。
2.根据权利要求1所述的pH测量系统，其中，所述OAM系统包括：
提供光束的电磁(EM)辐射源(12)；以及
OAM赋予单元(13)，其为所述光赋予OAM并将被赋予OAM的所述光引导到所述检查区域。
3.根据权利要求1或2所述的pH测量系统，其中，所述OAM赋予单元(13)还包括：
硅上液晶(LCoS)面板(20)，其界定向所述EM辐射上授予的所述OAM。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的pH测量系统，其中，所述分析或测量单元(64)包括：
处理器(38，38′，66)，其确定所述共振信号的(1)弛豫值和(2)共振频率中的至少一个。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的pH测量系统，其中，所述分析或测量单元(64)还包括：
存储器(40，68)，其存储pH和如下至少一项之间的相关性：(1)所述选定的偶极子的弛豫值和(2)所述选定的偶极子的共振频率。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的pH测量系统，还包括：
控制单元(54，60)，其控制所述OAM系统(10，10′，10″)，从而使用被赋予OAM的所述EM辐射在所述选定的偶极子中激励共振并操控所激励的共振以形成磁共振回波。
7.根据权利要求6所述的pH测量系统，其中，所述处理器(38，38′)分析所述磁共振回波以确定T2或T2*关系值。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的pH测量系统，其中，向受检者体内注射参考偶极子，针对该参考偶极子在所述存储器(40)中存储了pH和所述弛豫值与共振频率中的至少一个的相关性，并且所述pH测量系统还包括：
控制单元(54，60)，其控制所述OAM系统(10，10′，10″)，以在所述检查区域(30)中的所述参考偶极子和未知偶极子中都激励共振；并且
其中，所述处理器(38，38′，66)(1)分析来自所述参考偶极子的共振信号以确定所述检查区域(30)中的pH并(2)将所述检查区域(30)中所确定的pH与所述未知偶极子的弛豫值和所述未知偶极子的共振频率中的至少一个相关。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的pH测量系统，其中，所述OAM系统的至少一部分设置于导管(82)的远端。
10.一种测量pH的方法，包括：
界定B0磁场，选定的偶极子与所述B0磁场在检查区域(30)中优先对齐；
为电磁(EM)辐射赋予轨道角动量(OAM)；
向所述检查区域(30)发射被赋予OAM的所述EM辐射，以进行如下至少一项：(1)增强所述选定的偶极子与所述B0磁场的所述优先对齐，以及(2)激励所对齐的偶极子以共振；
从所述共振的偶极子接收共振信号；
通过分析所述共振信号确定所述检查区域中的pH。
11.根据权利要求10所述的测量pH的方法，其中，为电磁(EM)辐射赋予轨道角动量(OAM)并发射被赋予OAM的所述EM的步骤还包括：
提供光束；以及
为所述光束赋予OAM；以及
将被赋予OAM的所述光引导到所述检查区域。
12.根据权利要求10或11所述的测量pH的方法，其中，为EM辐射赋予轨道角动量(OAM)的步骤还包括：
控制授予到所述EM辐射的所述OAM的特性。
13.根据权利要求10-12中任一项所述的测量pH的方法，其中，确定所述检查区域中的pH的步骤还包括：
确定所述共振信号的(1)弛豫值和(2)共振频率中的至少一个。
14.根据权利要求13所述的测量pH的方法，其中，确定所述检查区域中的pH的步骤还包括：
将(1)所述选定的偶极子的弛豫值和(2)所述选定的偶极子的共振频率中的所述至少一个与针对所述选定的偶极子的所述弛豫值和所述共振频率中的所述至少一个与pH之间的预定相关性进行比较。
15.根据权利要求12所述的测量pH的方法，还包括：
控制授予到所述EM辐射的所述OAM的特性以在所述选定的偶极子中激励共振并操控所激励的共振以形成磁共振回波。
16.根据权利要求10-15中任一项所述的测量pH的方法，其中，确定所述检查区域中的pH的步骤还包括：
分析所述共振信号以确定T2或T2*关系值。
17.根据权利要求10-16中任一项所述的测量pH的方法，还包括：
在所述检查区域中的参考偶极子和未知偶极子中都激励共振，以生成来自所述参考偶极子的共振信号和来自所述未知偶极子的共振信号；
分析来自所述参考偶极子的所述共振信号以确定所述检查区域中的pH；以及
将所述检查区域中所确定的pH与所述未知偶极子的所述共振信号的弛豫值和所述未知偶极子的所述共振信号的共振频率中的至少一个相关。
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