CN103296465A - 一种负磁导率超材料及mri磁信号增强器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种负磁导率超材料及MRI磁信号增强器件，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上覆有保护层，第一人造微结构和第二人造微结构为一方形螺绕环。采用本发明可以大大降低超材料的谐振频率，另外，由于超材料中的人造微结构为磁性微结构，通过设计磁性微结构在负磁导率条件下的频率与MRI成像设备工作频率相同时，能使接收线圈接收到的磁信号得到增强，从而增强成像效果，制成MRI磁信号增强器件，对于超材料产业的发展具有重要意义。

Description

一种负磁导率超材料及MRI磁信号增强器件

技术领域

本发明涉及超材料领域，具体地涉及一种负磁导率超材料MRI磁信号增强器件。

背景技术

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都是大于0的。

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。

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显著降低，只有通过设计具有特殊几何图形的人造微结构，才能使得该人工电磁材料在特定频段内达到磁导率μ值远远小于0，并具有较低的谐振频率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术中负磁导率超材料谐振频率较高的情况，提供一种低谐振频率高负磁导率超材料，另外，这种负磁导率超材料可以应用于MRI磁信号增强器件中。

本发明实现发明目的采用的技术方案是，提供一种负磁导率超材料，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为一方形螺绕环。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述第一人造微结构和第二人造微结构上覆有保护层。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述第一人造微结构和第二人造微结构的线宽均为0.30mm-0.70mm。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述第一人造微结构和第二人造微结构的线间距均为0.05mm-0.15mm。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述第一人造微结构和第二人造微结构的线厚度均为0.03mm-0.05mm。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述基板的厚度为0.10-0.25mm。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述保护层的厚度为0.03-0.09mm。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述基板为FR4等级的基板。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述保护层为FR4等级的高分子材料。

在本发明所述的负磁导率超材料中，所述第一人造微结构和第二人造微结构的尺寸均为30mm×30mm。

一种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磁信号增强器件为超材料，所述超材料在MRI成像设备的磁信号工作频率下具有负磁导率，超材料为上述负磁导率超材料。

本发明的有益效果在于，采用本发明的负磁导率超材料，介质基板与人造微结构层叠排布，且人造微结构使用方形螺绕环，增大超材料的电容、电感，降低超材料的谐振频率，同时，由于超材料中的人造微结构为磁性微结构，通过特殊设计的磁性微结构在负磁导率条件下的频率与MRI成像设备工作频率相同时，能使接受线圈接收到的磁信号得到增强，从而增强成像效果，具有良好的发展前景。

附图说明

图1为现有技术负磁导率超材料人造微结构示意图；

图2为本发明优选实施例结构示意图；

图3为本发明优选实施例第一人造微结构俯视图；

图4为本发明优选实施例第二人造微结构俯视图；

图5为现有技术负磁导率超材料磁导率仿真效果示意图；

图6为本发明优选实施例的磁导率仿真效果示意图；

图中，1第一人造微结构、2第二人造微结构、3保护层、4基板、5金属过孔、6连接结构。

具体实施方式

本发明提供一种负磁导率超材料，如图2所示，包括基板4及多个周期性阵列排布在基板4两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5相连，第一人造微结构1和第二人造微结构2上覆有保护层3，第一人造微结构1和第二人造微结构2为一方形螺绕环。

第一人造微结构1和第二人造微结构2嵌套圈数应大于等于1圈，本文的一圈，是指如图3所示，以方形螺绕环所围成的环形内部的一点为极坐标的极点O_e，方形螺绕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，则沿方形螺绕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，直到达到方形螺绕环上离极点远的另一末端点。

第一人造微结构1与第二人造微结构2通过金属过孔5连接，连接方式如下：如图3、图4所示，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5相连，连接结构6为导电材料，如金属、导电塑料等。

本发明负磁导率超材料的基板4使用FR4陶瓷基板，厚度为0.10-0.25mm。本发明优选实施例的基板4选用介电常数0.164mm的基板。保护层3为FR-4等级高分子材料，厚度为0.03-0.09mm，在本发明优选实施例中，保护层5选用FR-4等级的环氧树脂材料，厚度为0.06mm。

第一人造微结构1和第二人造微结构2为方形螺绕环，如图3、图4所示，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，如导电塑料、ITO(铟锡氧化物)、碳纳米管、石墨等。本发明优选实施例的第一人造微结构1和第二人造微结构2选用铜线。本发明人造微结构均对磁场有响应，且其正对的两金属线走线间距d相等，目前最小可以做到0.1mm，现有技术对磁场响应的人造微结构通常为开口谐振环结构，如图1所示，此结构是类似于未封口的“凹”字形微结构。

下面将结合附图，对本发明实施例的负磁导率超材料的构成原理及有益效果做详细说明。

第一人造微结构1和第二人造微结构2基板4的表面呈周期性排布，例如矩形阵列排布，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五分之一，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λ/5，优选为λ/10。显然，为了使人造微结构不互相交叠，每个人造微结构的长度和宽度也不大于λ/5。周期性排布还可以有其他具有循环规律的排布方式，例如当基板为圆形或多边形时，人造微结构沿着圆形或多边形基板的外圆柱面等间距地绕一周，本发明实施例基板4为矩形，参见图2。

本发明优选实施例实现负磁导率的原理为，对于本发明的方形螺绕环人造微结构而言，可以等效为LC震荡电路，整个人造微结构的铜线可以等效为一个极板长度约等于线总长的电容，每两段互相正对铜线相当于电容的极板，铜线长度表征结构可以等效为电感，通过仿真发现，在其他条件不改变的情况下，铜线越长，铜线旋转的圈数越多，则人造微结构的等效电感值、电容值越大，本发明优选实施例的基板4相当于一层较薄的介质层，增大了第一、第二人造微结构的面间电容，并且，本发明优选实施例基板4两侧均有人造微结构，大大降低超材料的谐振频率。

由LC振荡电路公式

可知，当电感值、电容值均增大时，其对应的谐振频率则降低。

用CST对现有技术负磁导率超材料与本发明优选实施例负磁导率超材料分别进行了仿真，仿真时设定现有技术中超材料与本发明实施例超材料的结构参数完全相同，仿真过程中本发明实施例具体结构参数如下：铜线线宽0.5mm，铜线线间距0.1mm，绕线3圈，铜线厚度0.035mm，基板4为陶瓷基板，其厚度为0.164mm，保护层3为FR4等级的环氧树脂材料，厚度为0.06mm，金属过孔5的半径为0.1mm，第一人造微结构1和第二人造微结构2的尺寸为30mm×30mm。现有负磁导超材料的磁导率仿真效果示意图参见图5，由图5可知，现有技术要实现磁导率小于0，其对应谐振频率在400MHz，本发明磁导率仿真效果示意图参见图6，由图6可知，本发明优选实施例在47.5MHz可以实现磁导率为-1，与现有技术相比，大大降低了超材料磁导率的谐振频率。另外，通过仿真发现，可以通过调节人造微结构嵌套圈数或缩放人造微结构的大小来调节负磁导率的频点。

本发明的优越之处在于，设计一种全新的超材料，如图2所示，这种超材料可以在47.5MHz实现磁导率为-1，增加或减少超材料人造微结构的绕线圈数或缩放人造微结构的大小，可以得到需要的频点，这种新型低频负磁导率超材料对于超材料工业的发展，具有重要意义，有良好的开发及应用前景。

根据本发明的负磁导率超材料，可以制备一种MRI磁信号增强器件：在MRI成像设备中，将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磁信号增强器件即为本发明负磁导率超材料，本发明超材料在MRI成像设备的磁信号工作频率下具有负磁导率，负磁导率超材料的谐振频率能够在磁信号工作频段增强其信号强度，进而增强MRI成像设备的成像质量，具有良好的发展前景。

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 (12)

1.一种负磁导率超材料，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和第二人造微结构，其特征在于，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为一方形螺绕环。

2.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第一人造微结构和第二人造微结构上覆有保护层。

3.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第一人造微结构和第二人造微结构的线宽均为0.30mm-0.70mm。

4.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第一人造微结构和第二人造微结构的线间距均为0.05mm-0.15mm。

5.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第一人造微结构和第二人造微结构的线厚度均为0.03mm-0.05mm。

6.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述基板的厚度为0.10-0.25mm。

7.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述保护层的厚度为0.03-0.09mm。

8.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述基板为FR4等级的基板。

9.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述保护层为FR4等级的高分子材料。

10.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第一人造微结构和第二人造微结构的尺寸均为30mm×30mm。

11.一种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，其特征在于，所述MRI磁信号增强器件为超材料，所述超材料在MRI成像设备的磁信号工作频率下具有负磁导率。

12.根据权利要求11所述的MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述超材料为权利要求1至10任一所述的负磁导率超材料。

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