CN102349831A - 核磁共振成像中一种基于人工电磁结构的超透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于人工电磁结构的超透镜。传统设备限制了电磁超透镜的工作频率和工作带宽。本发明包括内固定圈、外固定圈和多个共振单元。共振单元竖直设置在内固定圈和外固定圈之间，内固定圈和外固定圈同圆心设置，多个共振单元以圆心为中心呈均布状态。共振单元包括长条形FR-4基板、多个LC环路共振单元和多个非磁性负载电容，在长条形FR-4基板横向上均布有LC环路共振单元，纵向上均布有LC环路共振单元，每个LC环路共振单元对应一个非磁性负载电容，非磁性负载电容挂载在LC环路共振单元的开口处。本发明制作工艺简单，结构是可扩展的。在常规核磁共振成像设备中引入共振单元结构可以实现高的空间分辨率和高信噪比。

Description

核磁共振成像中一种基于人工电磁结构的超透镜

技术领域

本发明属于核磁共振医学成像领域，涉及一种基于人工电磁结构的超透镜。

背景技术

MRI是一种生物磁自旋成像技术，它是利用人体中氢原子核自旋运动的特点，在外加磁场内，经射频脉冲（Radio frequency）激励后产生信号，用探测器检测并输入计算机后经过图像处理技术在屏幕上显示图像。依据人体组织所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。作为一种新型的医学成像手段，MRI提供的信息量不但大于医学影像学中的其他许多成像术，而且不同于已有的成像术，因此，它对疾病的诊断具有很大的潜在优越性。该技术在临床诊断、科学研究的应用成为现实，极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的迅速发展。

但与此同时，现阶段核磁共振成像研究中也是存在许多问题的，例如成像速度慢（实时性差），成像空间分辨率随着深度变化衰减很快，信噪比低等缺点。左手材料是一种新型人工电磁材料，在任何设定的频率条件下通过合理有效地设计结构可以实现等效的介电常数和磁导率或大、或小、正值、负值甚至于零。在2000年，英国科学家J. B. Pendry提出了电磁超透镜“完美成像”的概念。用左手材料制成的平板透镜（同时满足介电常数和磁导率为-1）可以实现对倏逝波（Evanescent wave）的成像，不仅突破了传统透镜的最大分辨率受制于电磁波长的局限（衍射极限），而且能够实现“二次汇聚效应”。与此同时，在准静态近似条件下，只需要满足单负即可，也即介电常数为-1或者磁导率为-1。人们据此提出了不同的构造人工电磁超透镜的方法，以更好的实现其应用，其中核磁共振成像临床应用是研究热点之一。例如由金属棒周期型排列组合的人工电磁结构可以实现等效介电常数                                               

，可以实现像波导一样导引电磁波；由开环共振单元（SRR，split ring resonator）构成的等效磁导率

的电磁平板结构则可以突破衍射极限，这些都将在核磁共振成像中有着非常重要的应用。

在现代的核磁共振成像中，为了提高核磁共振成像的空间分辨率通常采用增强静磁场的手段，例如现有商用的核磁共振成像设备（西门子等）包括1.5T、3T到7T。但是随着磁场强度的提高，射频电磁波对人体的损害也就越大，因此欧美国家在磁场场强的使用上是有严格的限制的；与此同时随着场强提高，探测线圈等硬件设备的制作也存在这很大的难度。另一方面，在所有这些工作中电磁超透镜的设计也是难点之一。理论分析已经表明要实现如上的“完美成像”要求结构参数必须严格的满足介电常数为-1或者磁导率为-1，因而严格限制了电磁超透镜的工作频率和工作带宽。

发明内容

为了提高核磁共振成像的空间分辨率和信噪比，本发明提供了一种基于人工电磁结构的超透镜。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

核磁共振成像中一种基于人工电磁结构的超透镜，包括内固定圈、外固定圈和多个共振单元，所述的共振单元竖直设置在内固定圈和外固定圈之间，内固定圈和外固定圈同圆心设置，多个共振单元以圆心为中心呈均布状态。

所述的共振单元包括长条形FR-4基板、多个LC环路共振单元和多个非磁性负载电容，在长条形FR-4基板横向上均布有2～4个LC环路共振单元，纵向上均布有12～20个LC环路共振单元，每个LC环路共振单元对应一个非磁性负载电容，所述的非磁性负载电容挂载在LC环路共振单元的开口处。

更进一步地说，所述的LC环路共振单元内直径为10毫米～25毫米，线宽为2毫米～5毫米。

更进一步地说，相邻两个LC环路共振单元之间的中心距为LC环路共振单元外直径的1.2～1.5倍。

更进一步地说，相邻两个共振单元所对应的圆心角为8°～15°。

本发明的有益效果：本发明制作工艺简单，结构是可扩展的。在常规核磁共振成像设备中引入共振单元结构可以实现高的空间分辨率和高信噪比。

附图说明

图1是共振单元俯视图。

图2是共振单元侧视图。

图3是本发明结构示意图。

图4是本发明用于核磁共振成像探测的原理图。

图中：1.非磁性负载电容；2. 长条形FR-4基板；3. LC环路共振单元；4. 共振单元；5.电磁超透镜；6.被测人体组织；7.表面线圈。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明设计了一种基于LC环路共振单元的弯曲环形人工电磁超透镜，并利用其新颖电磁特性来增强核磁共振成像中表面线圈的信号激励响应和探测。在同等的设备条件下，该电磁超透镜可以实现对核磁共振成像系统中激励线圈的聚焦和探测线圈超分辨成像，因而可以实现深度和定点（有限区域大小）探测，并有效提高信噪比。

如图3所示，核磁共振成像中一种基于人工电磁结构的超透镜，包括内固定圈、外固定圈和多个共振单元4，所述的共振单元4竖直设置在内固定圈和外固定圈之间，内固定圈和外固定圈同圆心设置，多个共振单元4以圆心为中心呈均布状态；

如图1和2所示，共振单元4包括长条形FR-4基板2、多个LC环路共振单元3和多个非磁性负载电容1，在长条形FR-4基板2横向上均布有2个LC环路共振单元3，纵向上均布有12～20个LC环路共振单元3，每个LC环路共振单元3对应一个非磁性负载电容1，非磁性负载电容1挂载在LC环路共振单元3的开口处。

LC环路共振单元3内直径为10毫米～25毫米，线宽为2毫米～5毫米。

相邻两个LC环路共振单元3之间的中心距为LC环路共振单元3外直径的1.2～1.5倍。

相邻两个共振单元4所对应的圆心角为8°～15°。

在图4中显示了将该电磁超透镜5应用于核磁共振成像系统中的应用结构原理图，其中忽略核磁共振成像系统常规外围设备。表面线圈7采用核磁共振成像设备的基本配置，人体组织6（特别的，例如大脑）置于环形电磁超透镜5内部。

核磁共振成像设备中通常采用很强的静磁场（1.5T、3T到7T），电磁超透镜的所有组成单元都要求是非磁性的，所以不会与核磁共振成像中强静磁场相互作用从而引入噪声降低信噪比（SNR）。与此同时，人工电磁超透镜的半径设计与人体检查部位相一致，例如人体脑部探测可以设计半径为15～25厘米。人工电磁超透镜并不要求制作成一个完整的环形结构，只要最终设计满足环形结构的一部分也是可行的。如图1、图2和图3所示，该电磁超透镜的制作方法包括以下步骤：

步骤（1）如图1，制作一定数量的（10～50块）一定大小的长条形FR-4基板2。

步骤（2）如图1，假定LC环路共振单元3的直径为R（10～25毫米），线宽为w（2～5毫米），则LC环路共振单元3的排列周期为外直径的1.2～1.5倍之间。采用微波电路工艺的制作方法在每一块基板上镀上LC环路共振单元3（铜）：其中LC环路共振单元3的横向个数满足2～4个（横向为电磁超透镜的厚度方向，随着个数的增加，电磁超透镜的损耗增大）；纵向个数满足12～20个（保证对被探测部位的有效覆盖，例如大脑）。最后保证在每个LC环路共振单元3有一定的开口大小；

步骤（3）如图1和图2所示，在长条形FR-4基板2上每一个LC环路共振单元的开口挂载一个外加非磁性电容1（通常选用型号为：ATC-100B，容值范围0～470pF）；

步骤（4）如图3所示，加工好的长条形基板共振单元4的放置方式满足如下规定：2个LC环路共振单元3方向为电磁超透镜的厚度方向，也即沿着环形半径方向；12～20个LC环路共振单元3沿着纵向方向（垂直于半径方向，以用于覆盖被测物体）。以相邻一特定角度（角度范围满足8°～15°，例如8°、10°、12°等，以保证结构紧凑）间隔将步骤（3）做好的FR-4基板2堆叠成环形结构，最后采用非磁性介质板固定即可形成电磁超透镜结构。

在核磁共振成像设备中，通过射频磁场与该电磁超透镜的LC环路共振单元的相互作用，其等效的磁导率满足

（实际中还存在损耗）。对于现有核磁共振成像系统，通常工作中心频率在射频波段（几十～几百兆赫兹），带宽为几千赫兹。如图1和图2所示，该电磁超透镜发明的基本组成单元是LC环路共振单元，根据微波电路的理论分析可以计算其分布式参数满足如下关系式。

1、LC环路共振单元的分布式电感计算

其中

2、LC环路共振单元的分布式电容计算

A. LC环路共振单元开口电容：

B. LC环路共振单元表面分布电容：

则LC环路共振单元的总电容：

其中

为真空中的介电常数和磁导率。LC环路共振单元结构参数：R为LC环路的内半径，w为环的线宽，h为镀铜的厚度，g为环的开口宽度，

为外加电容容值。则基本LC环路共振单元的共振频率满足：

以上提供了理论的指导模型，通过合理设计LC环路共振单元的结构参数，可以调整电磁超透镜的工作频率以适用于不同的核磁共振成像设备（包括1.5T、3T到7T）。

Claims (4)

1.核磁共振成像中一种基于人工电磁结构的超透镜，包括内固定圈、外固定圈和多个共振单元，其特征在于：所述的共振单元竖直设置在内固定圈和外固定圈之间，内固定圈和外固定圈同圆心设置，多个共振单元以圆心为中心呈均布状态；

所述的共振单元包括长条形FR-4基板、多个LC环路共振单元和多个非磁性负载电容，在长条形FR-4基板横向上均布有2～4个LC环路共振单元，纵向上均布有12～20个LC环路共振单元，每个LC环路共振单元对应一个非磁性负载电容，所述的非磁性负载电容挂载在LC环路共振单元的开口处。

2.根据权利要求1所述的超透镜，其特征在于：所述的LC环路共振单元内直径为10毫米～25毫米，线宽为2毫米～5毫米。

3.根据权利要求1所述的超透镜，其特征在于：相邻两个LC环路共振单元之间的中心距为LC环路共振单元外直径的1.2～1.5倍。

4.根据权利要求1所述的超透镜，其特征在于：相邻两个共振单元所对应的圆心角为8°～15°。

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