CN103367924A - 一种超材料及mri磁信号增强器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超材料，包括多个阵列排布的超材料单元，超材料单元由三层基板和四个人造微结构组成，基板与人造微结构间隔层叠排列，相邻两个人造微结构通过金属过孔相连，人造微结构为方形螺绕环。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

一种超材料及MRI磁信号增强器件

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，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，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，提供一种超材料，包括多个阵列排布的超材料单元，超材料单元由三层基板和四个人造微结构组成，基板与人造微结构间隔层叠排列，相邻两个人造微结构通过金属过孔相连，人造微结构为方形螺绕环。

优选地，四个人造微结构自上而下依次为第一人造微结构、第二人造微结构、第三人造微结构、第四人造微结构，第一人造微结构的内端点与所述第二人造微结构的外端点通过金属过孔相连，第二人造微结构的内端点与所述第三人造微结构的内端点通过金属过孔相连，第三人造微结构的外端点与所述第四人造微结构的内端点通过金属过孔相连。

优选地，基板包括第一基板、第二基板、第三基板，所述第一基板、第二基板、第三基板由陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F4B复合材料制得。

优选地，第一基板、第二基板、第三基板的厚度为0.1-0.5mm。

优选地，第一基板、第二基板、第三基板的介电常数为14-20。

优选地，方形螺绕环的线宽为0.1-0.4mm。

优选地，方形螺绕环的线间距为0.1-0.3mm。

优选地，方形螺绕环的线厚度为0.03-0.04mm。

优选地，第一人造微结构、第二人造微结构、第三人造微结构、第四人造微结构的嵌套圈数相同，嵌套圈数均大于1圈。

本发明还提供一种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超材料，超材料为具有前述特征的超材料。

本发明的有益效果是：利用四层经过特殊设计通过过孔连接的人造微结构层叠后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，本发明超材料结构示意图；

图2，本发明超材料单元结构示意图；

图3，第一人造微结构示意图；

图4，第二人造微结构示意图；

图5，第三人造微结构示意图；

图6，第四人造微结构示意图；

图7，图2沿A-A剖面结构示意图；

图8，本发明磁导率仿真效果示意图；

图9，第一人造微结构极坐标示意图；

图10，MRI磁信号增强器件结构示意图；

1超材料，10超材料单元，101第一人造微结构，102第二人造微结构，103第三人造微结构，104第四人造微结构，105第一基板，106第二基板，107第三基板，01第一人造微结构内端点，02第二人造微结构内端点，03第二人造微结构外端点，04第三人造微结构内端点，05第三人造微结构外端点，06第四人造微结构内端点，11金属通孔，12外壳。

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，参见图1，包括多个超材料单元1，参见图2，超材料单元1沿A-A剖面结构示意图，参见图7，超材料单元1由第一基板105、第二基板106、第三基板107与第一人造微结构101、第二人造微结构102、第三人造微结构103、第四人造微结构104间隔层叠排列。第一人造微结构101的内端点01与第二人造微结构102的外端点03通过金属过孔11相连，第二人造微结构102的内端点02与第三人造微结构103的内端点04通过金属过孔11相连，第三人造微结构103的外端点05与第四人造微结构104的内端点06通过金属过孔11相连，如图3、图4、图5、图6所示。

应当理解，第一人造微结构101、第二人造微结构102、第三人造微结构103、第四人造微结构104均为方形螺绕环，方形螺绕环的嵌套圈数应大于1圈，本文的一圈，是指如图9所示，第一人造微结构101的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。

应当理解，方形螺绕环一般为金属线，例如铜线、银线，甚至是金线，有时也可以是导电塑料，方形螺绕环的线宽为0.1-0.4mm，方形螺绕环的线间距为0.1-0.3mm，方形螺绕环的线厚度为0.03-0.04mm。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，第一基板105、第二基板106、第三基板107由陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F4B复合材料制得。第一基板105、第二基板106、第三基板107的厚度为0.1-0.5mm，第一基板105、第二基板106、第三基板107的介电常数为14-20。

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(优选十分之一)，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对本发明一优选实施例进行仿真，仿真时使用的技术参数为第一人造微结构101、第二人造微结构102、第三人造微结构103、第四人造微结构104的铜线线宽0.2mm，线间距0.1mm，线厚度0.035mm，第一基板105、第二基板106、第三基板107均为FR-4陶瓷基板，其厚度为0.2mm，第一人造微结构101、第二人造微结构102、第三人造微结构103、第四人造微结构104的尺寸为3mm×3mm，本发明优选实施例磁导率仿真效果示意图参见图8，由图可知，该超材料在0.79GHz磁导率等于-1。

基于上述负磁导率超材料，本发明还提供一种MRI磁信号增强器件，参见图10，包括外壳12及设置在外壳12内的至少一层超材料1，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1中的第一人造微结构101、第二人造微结构102、第三人造微结构103、第四人造微结构104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，包括多个阵列排布的超材料单元，其特征在于，所述超材料单元由三层基板和四个人造微结构组成，所述基板与所述人造微结构间隔层叠排列，所述相邻两个人造微结构通过金属过孔相连，所述人造微结构为方形螺绕环。

2.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述四个人造微结构自上而下依次为第一人造微结构、第二人造微结构、第三人造微结构、第四人造微结构，所述第一人造微结构的内端点与所述第二人造微结构的外端点通过金属过孔相连，所述第二人造微结构的内端点与所述第三人造微结构的内端点通过金属过孔相连，所述第三人造微结构的外端点与所述第四人造微结构的内端点通过金属过孔相连。

3.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述基板包括第一基板、第二基板、第三基板，所述第一基板、第二基板、第三基板由陶瓷材料、环氧树脂、聚四氟乙烯、FR-4复合材料或F4B复合材料制得。

4.根据权利要求3所述的超材料，其特征在于，所述第一基板、第二基板、第三基板的厚度为0.1-0.5mm。

5.根据权利要求3所述的超材料，其特征在于，所述第一基板、第二基板、第三基板的介电常数为14-20。

6.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述方形螺绕环的线宽为0.1-0.4mm。

7.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述方形螺绕环的线间距为0.1-0.3mm。

8.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述方形螺绕环的线厚度为0.03-0.04mm。

9.根据权利要求1所述的超材料，其特征在于，所述第一人造微结构、第二人造微结构、第三人造微结构、第四人造微结构的嵌套圈数相同，嵌套圈数均大于1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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