CN102709705A - 一种mri磁信号增强器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种MRI磁信号增强器件，MRI磁信号增强器件设置在待测部位与MRI成像设备的磁信号接收线圈之间，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系统的成像质量，同时，MRI系统的成像质量增强，能够使MRI设备的接收线圈不必紧靠待测部位，增加MRI设备使用的舒适性。
Description
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，μr＝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，MRI磁信号增强器件设置在待测部位与MRI成像设备的磁信号接收线圈之间，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固定在基板上的人造微结构层，人造微结构层上周期性的阵列排布多个人造微结构，人造微结构由四个相同的人造微结构单元构成，任一人造微结构单元绕同一旋转轴旋转90°、180°、270°后分别与其它三个人造微结构单元重合，人造微结构单元由一根金属线通过多重绕线的方式形成多重嵌套的凹形开口谐振环。
优选地，超材料由两层基板与三层人造微结构层相间层叠而成。
优选地，人造微结构单元的位置是一一对应的，人造微结构单元开口方向为，两外层人造微结构单元的开口方向相同，中间层人造微结构单元与外层人造微结构单元的开口方向相反。
优选地，基板为FR-4有机高分子基板或陶瓷基板。
优选地，基板的厚度为0.10-0.30mm。
优选地，金属线线宽0.05-0.15mm。
优选地，金属线线间距0.05-0.15mm。
优选地，金属线线厚度0.015-0.020mm。
优选地，人造微结构的尺寸为30mm×30mm。
优选地，金属线绕线圈数大于2。
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成像设备成像效果更好，同时，MRI设备成像质量增强，能够使MRI设备的接收线圈不必紧靠待测部位，增加MRI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人造微结构单元示意图；
图4，图3人造微结构单元开口方向示意图；
图5，本发明负磁导率超材料结构示意图；
图6，图5的右视图；
图7，本发明负磁导率超材料人造微结构示意图；
图8，人造微结构单元极坐标示意图；
图9，现有技术负磁导率超材料仿真效果示意图；
图10，本发明负磁导率超材料仿真效果示意图；
图11，MRI动物离体冠状面效果对比图；
图中，10负磁导率超材料，12外壳，1人造微结构单元开口处，a、b、c人造微结构层，d、e基板。
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9现有负磁导率超材料技术仿真效果示意图所示，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磁信号增强器件示意图，本发明MRI磁信号增强器件包括外壳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示出了本发明人造微结构单元示意图，本发明人造微结构单元为由一根金属线通过多重绕线的方式形成多重嵌套的凹形开口谐振环。1为人造微结构单元的开口处，由此可知，其开口方向向上，参见图4，四个人造微结构单元呈环形等间距阵列排布在基板d、e表面，人造微结构单元的位置是一一对应的，人造微结构单元开口方向为，两外层人造微结构单元的开口方向相同，中间层人造微结构单元与外层人造微结构单元的开口方向相反，形成人造微结构，参见图7，多个人造微结构周期性阵列排布在基板d、e表面，形成人造微结构层a、b、c，基板d、e与人造微结构层a、b、c相间层叠组成负磁导率超材料10，参见图5。
应当理解，多个人造微结构在基板d、e的表面呈周期性排布，如图6所示，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。
应当理解，本发明人造微结构的金属线材质为铜线、银线，甚至是金线。金属线线宽0.05-0.15mm，金属线线间距0.05-0.15mm，金属线线厚度0.015-0.020mm，金属线绕线圈数大于2，人造微结构的尺寸为30mm×30mm。
应当理解，本文的一圈，是指如图8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Oe，开口谐振环两末端点中离极点Oe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(ρe，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d、e为FR-4有机高分子基板或陶瓷基板，基板d、e的厚度为0.10-0.30mm。
图10为本发明负磁导率超材料仿真效果示意图，仿真软件与图9使用的仿真软件均为CST MICROWAVE STUDIO 2010，仿真参数为：金属线选择铜线，铜线线宽0.1mm，铜线线间距0.1mm，铜线线厚度0.018mm，基板为FR-4环氧树脂基板，厚度0.018mm，人造微结构尺寸30mm×30mm，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10MHz以下，与现有技术相比，大大降低了负磁导率超材料的谐振频率。
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，该磁信号增强器件置于MRI设备的接收线圈与用户之间，当MRI磁信号增强器件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系统的成像质量。
如图11所示，左图为未加入MRI磁信号增强器件的动物离体冠状面效果对比图，图中动物离体为新鲜离体猪腿，右图为同样的猪腿在加入本发明MRI磁信号增强器件后使用相同MRI设备的成像图，通过对比可知，加入MRI磁信号增强器件后，动物离体的肌肉、骨骼纹理显示的更清晰，图像更加明亮，MRI成像效果明显提高，便于医生进行诊断。同时，增强MRI系统的成像质量，能使MRI设备的接收线圈不必紧靠待测部位，增加MRI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 (10)
1.一种MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述MRI磁信号增强器件设置在待测部位与MRI成像设备的磁信号接收线圈之间，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固定在基板上的人造微结构层，所述人造微结构层上周期性的阵列排布多个人造微结构，所述人造微结构由四个相同的人造微结构单元构成，所述任一人造微结构单元绕同一旋转轴旋转90°、180°、270°后分别与其它三个人造微结构单元重合，所述人造微结构单元由一根金属线通过多重绕线的方式形成多重嵌套的凹形开口谐振环。
2.根据权利要求1所述的MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述超材料由两层所述基板与三层所述人造微结构层相间层叠而成。
3.根据权利要求1所述的MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述人造微结构单元的位置是一一对应的，所述人造微结构单元开口方向为，两外层人造微结构单元的开口方向相同，中间层人造微结构单元与外层人造微结构单元的开口方向相反。
4.根据权利要求1所述的MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述基板为FR-4有机高分子基板或陶瓷基板。
5.根据权利要求1所述的MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述基板的厚度为0.10-0.30mm。
6.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述金属线线宽0.05-0.15mm。
7.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述金属线线间距0.05-0.15mm。
8.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述金属线线厚度0.015-0.020mm。
9.根据权利要求1所述的MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述人造微结构的尺寸为30mm×30mm。
10.根据权利要求1所述的MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述金属线绕线圈数大于2。
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