CN102683883B - 一种mri磁信号增强器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MRI磁信号增强器件，该MRI磁信号增强器件包括外壳以及设置在外壳内的至少一层负磁导率超材料，该负磁导率超材料为经过特殊设计的低频负磁导率超材料，当MRI磁信号增强器件中的负磁导率超材料在磁导率为负、谐振频率与MRI工作频率近似相同的情况下，负磁导率超材料与MRI成像设备的接收线圈产生响应，增强接收线圈的磁信号，进而增强MRI成像设备的成像质量，MRI成像设备的成像质量增强，能够使MRI成像设备的接收线圈不必紧靠待测部位，增加MRI成像设备使用的舒适性。

Description

一种MRI磁信号增强器件

技术领域

本发明涉及MRI领域，具体地涉及一种MRI磁信号增强器件。

背景技术

核磁共振(MRI)成像系统的原理是利用线圈去检测原子核自旋吸收和发射的无线电波脉冲能量，该线圈作为接收线圈，在有些时候还同时作为发射线圈。在无线电波脉冲能量的帮助下，核磁共振成像扫描仪可以定位患者体内一个非常小的点，然后确定这是何种类型的组织。核磁共振成像机器采用特定于氢原子的无线电频率脉冲。系统引导脉冲对准所要检查的身体区域，并导致该区域的质子吸收使它们以不同方向旋转或旋进所需的能量。这是核磁共振成像装置的“共振”部分。无线电频率脉冲迫使它们(指每一百万质子中多余的一对或者两对不匹配的质子)在特定频率下按照特定方向旋转。引发共振的特定频率被称为拉摩尔频率，该值是根据要成像的特定组织以及主磁场的磁场强度计算得出的。无线电频率脉冲通常利用一个线圈来提供，该线圈称为发射线圈。现有核磁共振成像设备的接收线圈必须相当近地接近待测部位，以获取由待测部位释放出来的磁信号。MRI成像设备的清晰度与主磁场强度呈正相关，主磁场磁铁系统是MRI成像设备的主要部分，为了提升MRI成像系统的成像质量，一般需要更换整台MRI成像设备，造价十分高昂。

超材料是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计，可以突破某些表观自然规律的限制，从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料功能。超材料的性质和功能主要来自于其内部的结构而非构成它们的材料。目前，现有的金属人造微结构的几何形状为“工”字形或者如图1所示的类似“凹”字形的开口环形，但这结构都不能实现磁导率μ明显小于0或使超材料谐振频率降低，也不能实现各向同性，只有通过设计具有特殊几何图形的金属人造微结构，才能使得该人工电磁材料在特定频段内达到磁导率μ值小于0，并具有较低的谐振频率。

目前，国际社会对磁导率方面已有大量的研究，其中对于正磁导率的研究已经趋于成熟，对于负磁导率超材料的研究是现在国内外研究的热点，负磁导率具有量子极化作用，可以对入射波产生极化作用，因此作用范围很大，如在医学成像领域中的磁共振成像技术，负磁导率材料能够加强电磁波的成像效果，另外负磁导率材料在透镜研究方面亦有重要作用，在工程领域，磁导率通常都是指相对磁导率，为物质的绝对磁导率μ与磁性常数μ₀(又称真空磁导率)的比值，μ_r＝μ/μ₀，无量纲值。通常“相对”二字及符号下标r都被省去。磁导率是表示物质受到磁化场H作用时，内部的真磁场相对于H的增加(μ＞1)或减少(μ＜1)的程度。至今发现的自然界已存在的材料中，μ一般是大于0的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：提供一种MRI磁信号增强器件，该MRI磁信号增强器件为负磁导率超材料，增强MRI成像设备的成像质量，同时，MRI成像设备的成像质量增强，能够使MRI成像设备的接收线圈不必紧靠待测部位，增加MRI成像设备使用的舒适性。

本发明为实现发明目的采用的技术方案为：提供一种MRI磁信号增强器件，该MRI磁信号增强器件包括外壳以及设置在外壳内的至少一层负磁导率超材料，负磁导率超材料包括基板及多个周期性阵列排布在基板两侧面的第一人造微结构和第二人造微结构，第一人造微结构和第二人造微结构通过一个金属过孔相连，第一人造微结构和第二人造微结构均为方形螺绕环，方形螺绕环绕线圈数为4圈，第一人造微结构和第二人造微结构的尺寸为15mm×15mm，基板排布有第一人造微结构和第二人造微结构的两侧面垂直于MRI成像设备的磁信号接收线圈。

优选地，MRI磁信号增强器件的尺寸为300mm×300mm。

优选地，MRI成像设备的场强为1.5T。

优选地，第一人造微结构和第二人造微结构的线宽均为0.50-1.50mm。

优选地，第一人造微结构和第二人造微结构的线间距均为0.05-0.15mm。

优选地，第一人造微结构和第二人造微结构的线厚度均为0.03-0.05mm。

优选地，基板包括第一基板和第二基板，第一基板和第二基板均为FR-4有机高分子基板或陶瓷基板。

优选地，第一基板厚度为0.15-0.20mm。

优选地，第二基板的厚度为0.05-0.10mm。

优选地，金属过孔的孔径为0.50-0.90mm。

本发明的有益效果是：提供一种MRI磁信号增强器件，MRI磁信号增强器件利用负磁导率超材料的磁导率为负这一特性，达到信号增强的效果，使MRI成像设备的成像效果更好，同时，MRI设备成像质量增强，能够令MRI成像设备的接收线圈不必紧靠待测部位，增加MRI成像设备使用的舒适性。

附图说明

图1，现有技术负磁导率超材料人造微结构示意图；

图2，MRI磁信号增强器件示意图；

图3，本发明负磁导率超材料结构示意图；

图4，本发明第一人造微结构示意图；

图5，本发明第二人造微结构示意图；

图6，现有技术负磁导率超材料仿真效果示意图；

图7，本发明负磁导率超材料仿真效果示意图；

图8，无MRI磁信号增强器件球形水膜矢状面效果图；

图9，有MRI磁信号增强器件球形水膜矢状面效果图；

图10，无MRI磁信号增强器件动物离体冠状面效果图；

图11，有MRI磁信号增强器件动物离体冠状面效果图；

图12，MRI磁信号增强器件-接收线圈-待测部位位置示意图；

图中，10负磁导率超材料，12外壳，1第一人造微结构，2第二人造微结构，3金属过孔，4第一基板，5第二基板，6连接结构，101MRI磁信号增强器件，102接收线圈，103待测部位。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

图1所示为现有技术中的类似“凹”字形的开口环形人造微结构，这种形状的人造微结构能使超材料磁导率为负，但达到负磁导率的谐振频率较高，如图6所示，上述人造微结构形状达到磁导率为负的谐振频率超过350MHz。

图2为MRI磁信号增强器件101示意图，本发明MRI磁信号增强器件101包括外壳12及设置在外壳12内的至少一层负磁导率超材料10。应当理解，本发明的外壳12起到支撑、保护内层负磁导率超材料10的作用，在测量一些特殊部位如腿部、颈部时，可对外壳12和超材料10进行共形设计，便于用户根据具体需要使用。若外壳12内部有两层以上负磁导率超材料10，可将其同轴平行固定。

图3示出了本发明负磁导率超材料结构示意图，本发明负磁导率超材料包括基板及多个周期性阵列排布在基板两侧的第一人造微结构1和第二人造微结构2，第一人造微结构1和第二人造微结构2通过一个金属过孔3相连。第一人造微结构1与第二人造微结构2通过金属过孔3连接，金属过孔3的孔径为0.50-0.90mm，第一人造微结构1和第二人造微结构2的连接方式如下：第一人造微结构1和第二人造微结构2上均有连接结构6，两连接结构6通过金属过孔3相连，连接结构6为导电材料，如金属铜、金属银、导电塑料等。

应当理解，第一人造微结构1和第二人造微结构2在基板4的表面呈周期性排布，如图3所示，例如呈矩形阵列排布，即以一x方向为行、以垂直于x方向的y方向为列地排列，且各行间距、各列间距分别相等，甚至行间距等于列间距均可。优选行间距、列间距不大于所要响应的入射电磁波的波长的四分之一，即例如工作环境是波长为λ的电磁波，需要超材料对此电磁波的电磁特性是呈现负磁导率，则设计人造微结构时将上述行间距、列间距选择不大于四分之一波长，优选为十分之一波长。

图4为本发明第一人造微结构1示意图、图5为本发明第二人造微结构2示意图，第一人造微结构1和第二人造微结构2均为方形螺绕环，如图4、图5所示，方形螺绕环通常为金属线，如铜线、银线、铜合金，甚至是金线，也可以是由至少两种金属制成的合金，甚至是非金属的导电材料。本发明方形螺绕环绕线圈数为4圈，第一人造微结构1和第二人造微结构2的尺寸为15mm×15mm。

应当理解，本发明第一人造微结构1和第二人造微结构2的线宽为0.05-0.15mm，第一人造微结构1和第二人造微结构2的线间距为0.03-0.05mm，第一人造微结构1和第二人造微结构2的线厚度为0.05-0.15mm。

应当理解，本文的一圈，是指如图4所示，以开口谐振环所围成的环形内部的一点为极坐标的极点O_e，开口谐振环两末端点中离极点O_e近的一个末端点到极点的连线为该极坐标的极轴，取逆时针为正方向，则沿开口谐振环上的每一点依次用极坐标(ρ_e，θ)来表示，每到一个360度为一圈，直到达到开口谐振环的离极点远的另一末端点。

应当理解，基板为FR-4有机高分子基板或陶瓷基板，第一基板4的厚度为0.15-0.20mm，第二基板5的厚度为0.05-0.10mm。

图7为本发明负磁导率超材料仿真效果示意图，仿真软件与图6使用的仿真软件均为CSTMICROWAVESTUDIO2010，仿真参数为：方形螺绕环采用铜线，铜线线宽1mm，铜线线间距0.1mm，铜线线厚度0.035mm，第一基板4为FR-4环氧树脂基板，其厚度为0.164mm，第二基板5为FR-4环氧树脂基板，其厚度为0.06mm，第一人造微结构1和第二人造微结构2的尺寸为15mm×15mm，绕线4圈，金属过孔3的孔径为0.7mm，由仿真结果可知，本发明负磁导率超材料实现磁导率为-1的谐振频率在63.6MHz，与现有技术相比，大大降低了负磁导率超材料的谐振频率，1.5T的MRI系统频率与上述频率接近，因而谐振频率为63.6MHz的MRI磁信号增强器件101能够提高1.5T的MRI成像设备的成像质量。

基于上述低谐振频率负磁导率超材料，制成如图2所示的MRI磁信号增强器件101，MRI磁信号增强器件101内部负磁导率超材料的基板排布有第一人造微结构1和第二人造微结构2的两侧面垂直于MRI成像设备的磁信号接收线圈102，当MRI磁信号增强器件101中的负磁导率超材料在磁导率为负时，且谐振频率与MRI工作频率相同的情况下，负磁导率超材料与MRI成像设备的接收线圈产生响应，增强接收线圈的磁信号，进而增强MRI成像设备的成像质量。

为证实本发明MRI磁信号增强器件能够增强MRI成像设备的成像效果，做了如下实验：

实验1水膜实验

a.将球形水膜置于场强为1.5T的MRI成像设备接收线圈与发射线圈之间，由于球形水膜下部靠近接收线圈，得到的球形水膜矢状面图自上而下均匀变亮，上述球形水膜矢状面图的平均灰度值为83.73，平均SNR值(信噪比)为163，参见图8。

b.参见图12，即MRI磁信号增强器件101内部负磁导率超材料的基板排布有第一人造微结构1和第二人造微结构2的两侧面垂直于MRI成像设备的磁信号接收线圈102，球形水膜(待测部位103)置于MRI磁信号增强器件101与接收线圈102之间。如图9所示，得到的球形水膜矢状面图的图像亮度明显提高，测得其平均灰度值为116.31，平均SNR值为189.57。

由此可知，加入本发明MRI磁信号增强器件101后得到的球形水膜矢状面图的平均灰度值增加了38.9％，平均SNR值增加了16.3％。

实验2动物离体实验

a.动物离体实验选择的动物离体为新鲜猪脚，将动物离体置于场强为1.5T的MRI成像设备的接收线圈102和发射线圈之间，得到动物离体冠状面效果图如图10所示，测得其平均灰度值为53.87，标准偏差值为93.96。

b.将MRI磁信号增强器件101置于动物离体左手位，MRI磁信号增强器件101内部负磁导率超材料的基板排布有第一人造微结构1和第二人造微结构2的两侧面垂直于MRI成像设备的磁信号接收线圈102，动物离体(待测部位103)置于MRI磁信号增强器件101与接收线圈102之间，其他条件不变，测得动物离体冠状面效果图更加清晰、明亮，动物离体的肌肉、骨骼纹理更加清晰，其平均灰度值为65.13，标准偏差值为115.55，参见图11。

由此可知，动物离体冠状面效果图的平均灰度值比无MRI磁信号增强器件101增加了20.9％，标准偏差值增加了23％。提高了MRI成像设备的成像质量。MRI成像设备的成像质量增强，能使MRI成像设备的接收线圈102不必紧靠待测部位，增加MRI成像设备使用的舒适性。

本发明中的上述实施例仅作了示范性描述，本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (5)

1.一种MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述MRI磁信号增强器件包括外壳以及设置在外壳内的至少一层负磁导率超材料，所述负磁导率超材料包括基板及多个周期性阵列排布在基板两侧面的第一人造微结构和第二人造微结构，多个所述第一人造微结构和第二人造微结构均以行*列的方式排布在所述基板上，且各行间距和各列间距不大于所要响应的入射电磁波的波长的四分之一，所述第一人造微结构和第二人造微结构通过一个金属过孔相连，所述第一人造微结构和第二人造微结构均为方形螺绕环，所述方形螺绕环绕线圈数为4圈，所述第一人造微结构和第二人造微结构的尺寸为15mm×15mm，所述基板排布有所述第一人造微结构和第二人造微结构的两侧面垂直于MRI成像设备的磁信号接收线圈，其中，所述第一人造微结构和第二人造微结构的线宽均为0.50-1.50mm；所述第一人造微结构和第二人造微结构的线间距均为0.05-0.15mm；所述第一人造微结构和第二人造微结构的线厚度均为0.03-0.05mm。

2.根据权利要求1所述的MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述MRI磁信号增强器件的尺寸为300mm×300mm。

3.根据权利要求1所述的MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述MRI成像设备的场强为1.5T。

4.根据权利要求1所述的MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述基板包括第一基板和第二基板，所述第一基板和第二基板均为FR-4有机高分子基板或陶瓷基板。

5.根据权利要求4所述的MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述第一基板厚度为0.15-0.20mm。