CN103367923B - 一种超材料及mri磁信号增强器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超材料，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均由四根长度相等的螺旋金属线等间距嵌套而成，第一人造微结构和第二人造微结构绕其旋转对称中心旋转90°、180°、270°后分别与初始微结构重合，第一人造微结构和第二人造微结构通过金属过孔相连。该超材料具有高负磁导率，基于该高负磁导率超材料，本发明还提供一种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。
Description
技术领域
本发明涉及MRI成像技术领域，具体地涉及一种用于MRI成像的磁信号增强器件。
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一般是大于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同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，提供一种具有高负磁导率、低谐振频率的超材料，利用该高负磁导率超材料，为MRI成像设备提供一种磁信号增强器件。
本发明实现发明目的采用的技术方案是，一种超材料，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，所述第一人造微结构和所述第二人造微结构均由四根长度相等的螺旋金属线等间距嵌套而成，所述第一人造微结构和所述第二人造微结构绕其旋转对称中心旋转90°、180°、270°后分别与初始微结构重合，所述第一人造微结构和所述第二人造微结构通过金属过孔相连。
优选地，所述基板为陶瓷基板。
优选地，所述基板的厚度为0.06-0.07mm。
优选地，所述基板的介电常数为14-20。
优选地，所述基板的介电损耗正切值为0.0030-0.0040。
优选地，所述螺旋金属线的线宽为0.02-0.05mm。
优选地，所述螺旋金属线的线间距为0.08-0.12mm。
优选地，所述螺旋金属线的线厚度为0.03-0.04mm。
优选地，所述螺线金属线的嵌套圈数大于2圈。
本发明还提供一种MRI磁信号增强器件，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超材料，所述超材料为具有前述特征的超材料。
本发明的有益效果是：利用四根长度相等的螺旋金属线等间距嵌套形成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金属过孔的连接，获得一种新型的高负磁导率超材料，基于该高负磁导率超材料，本发明还提供一种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。
附图说明
图1，现有技术超材料人造微结构示意图；
图2，本发明优选实施例第一人造微结构示意图；
图3，本发明优选实施例第二人造微结构示意图；
图4，本发明优选实施例超材料剖面结构示意图；
图5，本发明优选实施例MRI磁信号增强器件结构示意图；
图6，本发明优选实施例磁导率仿真效果示意图；
1第一人造微结构，2第二人造微结构，3金属过孔，4基板，5连接结构，6外壳，10超材料。
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。
本发明提供一种超材料10，其剖面结构示意图参见图4，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1参见图2，第二人造微结构2参见图3，第一人造微结构1和第二人造微结构2均由四根长度相等的螺旋金属线等间距嵌套而成，第一人造微结构1和所述第二人造微结构2绕其旋转对称中心旋转90°、180°、270°后分别与初始微结构重合，第一人造微结构1的四根螺旋金属线远离其对称中心的末端连接结构5与金属过孔3相连，通过金属过孔3与分别第二人造微结构2的四根螺旋金属线远离对称中心的末端连接结构5相连。本发明超材料10为各向同性超材料。
本发明中，构成第一人造微结构1和第二人造微结构2的螺旋金属线可选用各种金属材料，如铜。本发明螺旋金属线的线宽为0.02-0.05mm，螺旋金属线的线间距为0.08-0.12mm，螺旋金属线的线厚度为0.03-0.04mm，螺线金属线的嵌套圈数应大于2圈。本发明优选实施例第一人造微结构1和第二人造微结构2的尺寸为15mm×15mm，应当理解，在设计超材料时，通过改变超材料人造微结构的尺寸大小及结构等手段，可以得到具有不同电磁响应频率的超材料，以满足具体应用。
应当理解，本发明中，基板4选用介电常数为14-20的陶瓷基板，基板4的厚度为0.06-0.07mm，基板的介电损耗正切值为0.0030-0.0040，基板4的形状不仅为方形，还可以为圆形或多边形，当超材料10有多个时，可以按照一定规律将其封装起来，例如当基板4为平板状时，各超材料10沿垂直于基板4表面的方向依次排列，超材料10相互平行设置，优选平行且间距相等。若基板为上述圆形或多边形，可以将超材料10共圆心轴地安装固定。
应当理解，对于特定频率的电磁波而言，超材料人造微结构的尺寸在电磁波长的十分之一到五分之一范围内时，超材料才能对电磁波产生特定的响应，在电磁性质上表现为具有特殊的等效介电常数和等效磁导率，超材料呈负磁导率，正是通过设计特定的人造微结构，使材料本身在电磁性质上具有负的磁导率。
应当理解，用CST Studio Suite 2010对本发明优选实施例进行仿真，仿真时使用的技术参数为铜线线宽0.3mm，线间距0.1mm，线厚度0.035mm，陶瓷基板4的厚度为0.635mm，介电常数为16，损耗正切为0.0035，第一人造微结构1和第二人造微结构2的尺寸为15mm×15mm，本发明优选实施例磁导率仿真效果示意图参见图6，由图可知，该超材料在200MHz-270MHz具有负磁导率，在256MHz磁导率等于-1。
基于上述负磁导率超材料10，本发明还提供一种MRI磁信号增强器件，参见图5，包括外壳6及设置在外壳6内的至少一层超材料10，将该磁信号增强器件置于MRI设备的接收线圈与用户之间，超材料10中的第一人造微结构1和第二人造微结构2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。
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)
1.一种超材料，其特征在于，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，所述第一人造微结构和所述第二人造微结构均由四根长度相等的螺旋金属线等间距嵌套而成，所述第一人造微结构和所述第二人造微结构绕其旋转对称中心旋转90°、180°、270°后分别与初始微结构重合，所述第一人造微结构和所述第二人造微结构通过金属过孔相连，其中，四根螺旋金属线相互围闭，且第一人造微结构的四根螺旋金属线由内至外绕顺时针旋转，第二人造微结构的四根螺旋金属线由内至外绕逆时针旋转，第一人造微结构的四根螺旋金属线远离其对称中心的末端连接结构，分别通过对应的金属过孔与第二人造微结构的四根螺旋金属线远离对称中心的末端连接结构对应相连。
2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述基板为陶瓷基板。
3.根据权利要求2所述的超材料，其特征在于，所述基板的厚度为0.06-0.07mm。
4.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述基板的介电常数为14-20。
5.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述基板的介电损耗正切值为0.0030-0.0040。
6.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述螺旋金属线的线宽为0.02-0.05mm。
7.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述螺旋金属线的线间距为0.08-0.12mm。
8.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述螺旋金属线的线厚度为0.03-0.04mm。
9.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述螺旋金属线的嵌套圈数大于2圈。
10.一种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超材料，所述超材料为权利要求1-9任一项所述的超材料。
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