CN103356187B - 一种基于共形设计的mri磁信号增强器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于共形设计的MRI磁信号增强器件，包括超材料层和保护层，超材料层包括基板及多个周期性阵列排布在基板两侧的第一磁性人造微结构和第二磁性人造微结构，基板为柔性基板，第一磁性人造微结构和第二磁性人造微结构通过金属过孔相连，超材料层镶嵌于保护层内。由于MRI磁信号增强器件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工作频率相同时，能使接收线圈接收到的磁信号得到增强，使接收线圈不必紧靠待测部位，同时，本发明对MRI磁信号增强器件的整体结构进行共形设计，提高用户的舒适度。
Description
技术领域
本发明涉及MRI领域，具体地涉及一种基于共形设计的MRI磁信号增强器件。
背景技术
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。通过对材料关键物理尺度的结构进行有序设计，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。
MRI全称为Magnetic Resonance Imaging(磁共振成像)，磁共振成像是断层成像的一种，利用磁共振现象从人体中获得电磁信号，并重建出人体信息。从1973年开始，MRI开始运用于临床医学中对病灶的检测。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。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。无线电频率脉冲通常利用一个线圈来提供，该线圈称为发射线圈。核磁共振成像机器针对身体的不同部位配有不同种类的线圈：膝部、肩部、腕部、头部、颈部等等。这些线圈通常符合正在接受成像的身体部位的轮廓，或者至少在检查期间与这些部位的距离很近，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，平板型超材料MRI磁信号增强器件已无法满足用户对于特殊检测部位的需要，即平板型超材料MRI磁信号增强器件无法使一些特殊部位产生高质量的成像。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于共形设计的MRI磁信号增强器件，大大提高了MRI系统的成像质量。
本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种MRI磁信号增强器件，包括超材料层和保护层，超材料层包括基板及多个周期性阵列排布在基板两侧的第一磁性人造微结构和第二磁性人造微结构，基板为柔性基板，第一磁性人造微结构和第二磁性人造微结构通过金属过孔相连，超材料层镶嵌于保护层内。
优选地，所述基板为聚对苯二甲酸乙二醇酯基板或液晶高分子聚合物基板或聚酰亚胺基板。
优选地，所述第一磁性人造微结构和第二磁性人造微结构为由一根金属线自一点向外等间距嵌套而成的方形金属螺绕环。
优选地，所述第一磁性人造微结构和第二磁性人造微结构的线宽为0.3-0.6mm。
优选地，所述第一磁性人造微结构和第二磁性人造微结构的线间距为0.1-0.12mm。
优选地，所述第一磁性人造微结构和第二磁性人造微结构的线厚度为0.033-0.037mm。
优选地，所述基板的厚度为0.050-0.060mm。
优选地，所述基板的介电常数为3-5。
优选地，所述基板的介电损耗值为0.002-0.004。
优选地，所述保护层为聚氨基甲酸酯泡沫材料。
本发明的有益效果在于，提供一种MRI磁信号增强器件，将其置于MRI设备的线圈与用户之间，此超材料层中的磁性人造微结构经过特殊设计，与MRI接收线圈产生响应，增强了接收线圈的磁信号，从而增强MRI系统的成像质量，使接收线圈不必紧靠待测部位，MRI磁信号增强器件的基板为柔性基板，便于对其进行共形设计，提高用户使用时的舒适度。
附图说明
图1，本发明优选实施例超材料层结构示意图；
图2，平板型MRI磁信号增强器件结构示意图；
图3，本发明优选实施例MRI磁信号增强器件结构示意图；
图4，本发明优选实施例第一磁性人造微结构示意图；
图5，本发明优选实施例第二磁性人造微结构示意图；
图6，1TMRI系统-MRI磁信号增强器件仿真结果示意图；
图7，1.5TMRI系统-MRI磁信号增强器件仿真结果示意图；
图中，1第一磁性人造微结构，2第二磁性人造微结构，3，金属过孔，4基板，5平板型MRI磁信号增强器件保护层，6平板型MRI磁信号增强器件超材料层，7本发明优选实施例超材料层，8本发明优选实施例保护层，9连接结构。
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MRI磁信号增强器件，包括超材料层7和保护层6，如图1所示，超材料层7包括基板4及多个周期性阵列排布在基板4两侧的第一磁性人造微结构1和第二磁性人造微结构2，基板4为柔性基板，第一磁性人造微结构1和第二磁性人造微结构2通过金属过孔3相连，超材料层7镶嵌于保护层6内。
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。
本发明超材料层7的基板4采用柔性基板，柔性基板便于进行共形设计，将MRI磁信号增强器件制成所需形状，本发明柔性基板可采用聚对苯二甲酸乙二醇酯基板(PET)、液晶高分子聚合物基板(LCT)、聚酰亚胺基板(PI)中的任意一种，本发明基板的厚度为0.050-0.060mm，基板的介电常数为3-5，基板的介电损耗值为0.002-0.004，本发明优选实施例基板为聚对苯二甲酸乙二醇酯基板，厚度为0.0508mm，介电常数为3.2，介电损耗值为0.002。
第一磁性人造微结构1和第二磁性人造微结构2嵌套圈数应大于等于1圈，本文的一圈，是指如图4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Oe，方形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，则沿方形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，直到达到方形螺绕环上离极点远的另一末端点。
第一磁性人造微结构1和第二磁性人造微结构2为一根金属线自一点向外等间距嵌套而成的方形金属螺绕环，如图4、图5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磁性人造微结构1和第二磁性人造微结构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，第一磁性人造微结构1和第二磁性人造微结构2的线宽为0.3-0.6mm，第一磁性人造微结构1和第二磁性人造微结构2的线间距为0.1-0.12mm，第一磁性人造微结构1和第二磁性人造微结构2的线厚度为0.033-0.037mm。本发明优选实施例第一磁性人造微结构1和第二磁性人造微结构2铜线的线宽为0.5mm，线间距为0.1mm，铜线的线厚度为0.035mm。
本发明优选实施例保护层8如图3所示，主要作用是保护超材料层7、令用户感觉更加舒适，因此保护层8选用柔软易封装的材料即可，本发明优选实施例中，保护层8选用聚氨基甲酸酯泡沫材料。将超材料层7夹于聚氨基甲酸酯泡沫材料中，在聚氨基甲酸酯泡沫材料外侧包覆一层网面或皮面柔软材料即可制成本发明的MRI磁信号增强器件。
参见图2，平板型MRI磁信号增强器件结构示意图，这种平板型的MRI磁信号增强器件只适用于测量用户的躯干部位，若用户想要测量颈部、腿部等特殊部位时，就需要使用经过共形设计的垫片MRI磁信号增强器件，从而增强MRI成像系统的图像效果。如图3所示，本发明优选实施例MRI磁信号增强器件为类似“凹”形结构，基板4采用柔性基板，便于进行共形设计，这种MRI磁信号增强器件内部的超材料层能与MRI接收信号响应，使接收线圈接收到的磁信号得到增强，进而增强MRI系统的成像效果。
将本发明优选实施例MRI磁信号增强器件在场强为1T的MRI系统中仿真，仿真的软件为Comsol 3.5，仿真的技术参数如下：铜线线宽0.5mm，铜线线间距0.1mm，铜线厚度0.035mm，铜线绕线6圈，基板4为聚对苯二甲酸乙二醇酯基板，其厚度为0.0508mm，其介电常数为3.2，其介电损耗值为0.002，第一磁性人造微结构1和第二磁性人造微结构2的大小均为15mm×15mm，仿真结果示意图如图6所示，图中，纵坐标μ为磁导率，横坐标为频率(GHz)，由图可知，其最大的负磁导率超过了-100，在40.6GHz的时候本发明优选实施例可以实现在1T的MRI系统频率下达到磁导率为-1，在实际负磁导率超材料的应用中，超材料表面一般与空气接触，为使超材料与空气之间获得良好的阻抗匹配，通常将超材料设计为磁导率为-1。
应当理解，在超材料设计时，通过改变超材料基本单元的尺寸大小以及改变其结构等手段，可以得到具有不同电磁响应频率的超材料，以满足各种具体应用。例如，仿真技术参数为：铜线线宽1mm，铜线线间距0.1mm，铜线厚度0.035mm，铜线圈数为3，基板4为聚对苯二甲酸乙二醇酯基板，其厚度为0.0508mm，其介电常数为3.2，其介电损耗值为0.002，第一磁性人造微结构1和第二磁性人造微结构2的大小为18mm×18mm，基于上述参数的MRI磁信号增强器件，在1.5T的MRI系统中利用进行仿真，仿真软件为Comsol 3.5，仿真结果示意图如图7所示，由图可知，上述MRI磁信号增强器件可以实现在1.5T的MRI系统频率下达到磁导率为-1。
本发明提供一种MRI磁信号增强器件，将其置于MRI设备的接收线圈与用户之间，超材料层中的磁性人造微结构经过特殊设计，在负磁导率条件下的频率与MRI工作频率相同时，与MRI接收线圈产生响应，增强了接收线圈的磁信号，从而增强MRI系统的成像质量，使接收线圈不必紧靠待测部位，MRI磁信号增强器件的基板为柔性基板，便于对其进行共形设计，提高用户使用时的舒适度，共形设计的MRI磁信号增强器件，更有利于提高特殊待测部位的成像质量。
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，包括超材料层和保护层，所述超材料层包括基板、多个周期性阵列排布在所述基板一侧的第一磁性人造微结构以及多个周期性阵列排布在基板另一侧的第二磁性人造微结构，所述基板为柔性基板，所述第一磁性人造微结构和所述第二磁性人造微结构通过金属过孔相连，所述超材料层镶嵌于所述保护层内，所述保护层为柔软易封装的材料。
2.根据权利要求1所述的一种MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述基板为聚对苯二甲酸乙二醇酯基板或液晶高分子聚合物基板或聚酰亚胺基板。
3.根据权利要求1所述的一种MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述第一磁性人造微结构和第二磁性人造微结构为一根金属线自一点向外等间距嵌套而成的方形金属螺绕环。
4.根据权利要求3所述的一种MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述第一磁性人造微结构和所述第二磁性人造微结构的线宽为0.3-0.6mm。
5.根据权利要求4所述的一种MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述第一磁性人造微结构和所述第二磁性人造微结构的线间距为0.1-0.12mm。
6.根据权利要求5所述的一种MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述第一磁性人造微结构和所述第二磁性人造微结构的线厚度为0.033-0.037mm。
7.根据权利要求1所述的一种MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述基板的厚度为0.050-0.060mm。
8.根据权利要求1所述的一种MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述基板的介电常数为3-5。
9.根据权利要求1所述的一种MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述基板的介电损耗值为0.002-0.004。
10.根据权利要求1所述的一种MRI磁信号增强器件，其特征在于，所述保护层为聚氨基甲酸酯泡沫材料。
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