CN103296466B - 一种负磁导率超材料及mri磁信号增强器件 - Google Patents
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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以及周期性阵列排布在基板两侧的多个人造微结构，人造微结构由呈环形阵列排布的两个第一人造微结构单元和两个第二人造微结构单元组成，每个人造微结构单元由两个斜边互相正对的直角三角螺绕环组成。采用本发明可以有效降低超材料的谐振频率，另外，本发明负磁导率超材料在MRI磁信号增强器件中具有较大应用，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，本发明具有良好的开发与应用前景。
Description
【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及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，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。
【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实现负磁导率的谐振频率较高的缺陷，提供一种谐振频率较低的负磁导率超材料。另外，本发明负磁导率超材料在MRI磁信号增强器件中具有较大应用。
本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种负磁导率超材料，包括基板以及周期性阵列排布在基板两侧的多个人造微结构，所述人造微结构由呈环形阵列排布的两个第一人造微结构单元和两个第二人造微结构单元组成，所述两个第一人造微结构单元和两个第二人造微结构单元均由两个斜边互相正对的直角三角螺绕环组合而成。
优选地，所述基板的厚度为0.8-1.2mm。
优选地，所述基板的介电常数为4-7。
优选地，所述直角三角螺绕环的线宽为0.08-0.12mm。
优选地，所述直角三角螺绕环的线间距为0.18-0.22mm。
优选地，所述直角三角螺绕环的线厚度为0.015-0.020mm。
优选地，所述基板为有机高分子材料或陶瓷材料。
优选地，所述人造微结构的尺寸为20.4mm×20.4mm。
优选地，所述第一人造微结构单元和第二人造微结构单元为方形。
优选地，所述直角三角螺绕环的绕线圈数大于2圈。
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，所述超材料为上述负磁导率超材料。
本发明的有益效果在于，本发明的基板采用介电常数较高、损耗较低的材质，基板两面固定有经过特殊设计的人造微结构，双面都覆有多个阵列排布的人造微结构，大大增强降频效果，本发明负磁导率超材料谐振频率较低，具有良好的发展前景。本发明应用到MRI成像设备的磁信号增强器件中，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，降低负磁导率超材料的频率，是为了获得更接近MRI成像设备的工作频率，使MRI成像设备成像效果更好。
【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，本发明优选实施例超材料结构示意图；
图3，本发明优选实施例人造微结构示意图；
图4，本发明优选实施例第一人造微结构单元结构示意图；
图5，本发明优选实施例第二人造微结构单元结构示意图；
图6，本发明优选实施例直角三角螺绕环极坐标示意图；
图7，本发明优选实施例磁导率仿真效果示意图；
图8，现有技术超材料磁导率仿真效果示意图；
图9，本发明又一优选实施例超材料结构示意图；
图10，本发明又一优选实施例磁导率仿真效果示意图；
图中，1本发明优选实施例人造微结构，2本发明优选实施例基板，3本发明又一优选实施例人造微结构，4本发明又一优选实施例基板，11第一人造微结构单元，22第二人造微结构单元。
【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。
本发明提供一种负磁导率超材料，如图2所示，包括基板2以及周期性阵列排布在基板2两侧的多个人造微结构1，人造微结构1由呈环形阵列排布的两个第一人造微结构单元11和两个第二人造微结构单元22组合而成，两个第一人造微结构单元11和两个第二人造微结构单元22均由两个斜边互相正对的直角三角螺绕环组成。
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。
多个人造微结构1在基板2相对的两个表面呈周期性阵列排布，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，则设计金属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，为了使金属人造微结构1不互相交叠，每个金属人造微结构1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2为圆形或多边形时，人造微结构1沿着圆形或多边形基板2的外圆柱面等间距地绕一周。本发明优选实施例的基板2为矩形，参见图2。
本发明基板2应选择轻薄、介电常数高、损耗低的基板，因此基板2的厚度为0.8-1.2mm，介电常数为4-7。基板2可以使用有机高分子材料或陶瓷材料。本发明优选实施例基板2选用厚度为1mm、介电常数为4.8的FR-4基板。
本发明人造微结构1如图3所示，由呈环形阵列排布的两个第一人造微结构单元11和两个第二人造微结构单元22组成，第一人造微结构单元11结构示意图参见图4，第二人造微结构单元22结构示意图参见图5，第一人造微结构单元11和第二人造微结构单元22均由两个斜边互相正对的直角三角螺绕环组成。如图3所示，以人造微结构1的对称中心点为原点，做一横轴为X轴，纵轴为Y轴的平面直角坐标系，在此坐标系中，第二、四象限为第一人造微结构单元11，第一、三象限为第二人造微结构单元22。本发明中直角三角螺绕环绕线圈数应大于两圈，本发明优选实施例绕线圈数为14圈。
本文的一圈，是指如图6所示，以直角三角螺绕环所围成的环形内部的一点为极坐标的极点Oe，直角三角螺绕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，则沿直角三角螺绕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，直到达到直角三角螺绕环上离极点远的另一末端点。
直角三角螺绕环绕线可选用铜线、银线、铜合金，甚至是金线，或者是非金属的导电材料，如导电塑料等，本发明优选实施例直角三角螺绕环绕线选择铜线，铜线的截面为矩形或圆形。螺绕环绕线宽为0.1-0.3mm，螺绕环绕线的线厚度为0.03-0.05mm，螺绕环绕线的线间距为0.05-0.15mm。本发明铜线的线宽为0.1mm，铜线的厚度为0.018mm，铜线的线间距为0.2mm，人造微结构的整体尺寸为20.4mm×20.4mm。
本发明实现负磁导率的原理为，对于人造微结构而言，可以等效为LC震荡电路，铜线等效为电感L，线间电容、直角三角螺绕环之间的耦合电容等效电容C，通过仿真发现，在其他条件不改变的情况下，铜线越长，线间距越近，则等效电容值C越大。
同理我们可以定性的判断电感L的变化，铜线线长越长，电感L越大。本发明中金属人造微结构单元的铜线绕线圈数越多，其电感越大(存在互感)。
由LC振荡电路公式可知，当电感值增大时，其对应的谐振频率则降低。
现有技术是直接将图1所示的“凹形”开口谐振环周期性阵列排布在基板上，制成超材料，超材料呈各项异性，本发明人造微结构是如图2、图3所示的人造微结构叠加组，不仅可以有效的降低超材料的谐振频率，还可以实现超材料的各向同性。
用CST对本发明实施例的负磁导率超材料进行仿真，仿真的结构参数为，铜线线宽0.1mm，铜线线间距0.2mm，铜线厚度0.018mm，基板2的厚度为1mm，介电常数为4.8，人造微结构1的尺寸20.4mm×20.4mm，仿真结果示意图参见图7，由图7可知，本发明超材料实现磁导率为负的对应频率在150MHz以下，图8为现有技术超材料磁导率仿真效果示意图，由图8可知，现有技术超材料实现负磁导率的谐振频率约为150MHz，与现有技术相比，本发明降频效果显著，对于超材料工业的发展，具有重要意义。
本发明还可以有另一种实施方式，如图9所示，人造微结构3周期性阵列排布在基板4的表面，也就是说，基板4表面只排布一层人造微结构3，人造微结构3与如图3所示的本发明优选实施例的人造微结构相同，将本发明又一优选实施例超材料用CST仿真，仿真的结构参数如下，人造微结构3铜线的线宽0.1mm，铜线线间距0.1mm，铜线厚度0.018mm，基板4为FR-4基板，其厚度为1mm，介电常数为4.8，人造微结构3的尺寸为20.4mm×20.4mm，仿真结果如图10所示，由图10可知，本发明又一优选实施例超材料实现负磁导率的谐振频率约为150MHz。本实施方式明显降低了超材料的谐振频率，具有良好的发展前景。
本发明还提供一种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的负磁导率超材料，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。
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，降低负磁导率超材料的频率，是为了获得更接近MRI成像设备的工作频率，使MRI成像设备成像效果更好。
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 (11)
1.一种负磁导率超材料，包括基板以及周期性阵列排布在基板两侧的多个人造微结构，其特征在于，所述人造微结构由呈环形阵列排布的两个第一人造微结构单元和两个第二人造微结构单元组合而成，所述两个第一人造微结构单元和两个第二人造微结构单元均由两个斜边互相正对的直角三角螺绕环组成；在以所述人造微结构的对称中心为原点的直角坐标系中，两个所述第一人造微结构单元对称位于第二、四象限，两个所述第二人造微结构单元对称位于第一、三象限。
2.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述基板的厚度为0.8-1.2mm。
3.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述基板的介电常数为4-7。
4.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述直角三角螺绕环的线宽为0.08-0.12mm。
5.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述直角三角螺绕环的线间距为0.18-0.22mm。
6.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述直角三角螺绕环的线厚度为0.015-0.020mm。
7.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述基板为有机高分子材料或陶瓷材料。
8.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述人造微结构的尺寸为20.4mm×20.4mm。
9.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述第一人造微结构单元和第二人造微结构单元为方形。
10.根据权利要求1所述的负磁导率超材料，其特征在于，所述直角三角螺绕环的绕线圈数大于2圈。
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，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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