CN109490803B - 超构表面器件及制备方法、核磁共振成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于核磁共振成像系统的超构表面器件及制备方法、核磁共振成像系统。该超构表面器件包括：印刷线路板，印刷线路板包括电介质板和分别设置在电介质板正面和背面的第一电极和第二电极，第一电极沿第一方向延伸，第二电极沿第二方向延伸，第一方向垂直于第二方向，且第二电极在电介质板上的正投影，位于第一电极在电介质板上正投影的两端，以构成平行板电容器；可变电容器，可变电容器与平行板电容器并联连接。由此，该超构表面器件具有结构简单，占用空间小的优点，且该超构表面器件的谐振频率具有可调谐性，使得该超构表面器件的谐振频率与核磁共振成像系统的工作频率能够较好的匹配，提高核磁共振成像系统的测试精度和使用性能。
Description
技术领域
本发明涉及核磁共振成像技术领域，具体地，涉及用于核磁共振成像系统的超构表面器件及制备方法、核磁共振成像系统。
背景技术
核磁共振成像技术(MRI)为非介入探测方式，是医药、生物、神经科学领域的一项重要的基础诊断技术。传统MRI设备传输的信号强度主要取决于静磁场B0的强度，采用高磁场甚至超高磁场系统提高图像的信噪比、分辨率和缩短扫描时间。然而磁场的增加会导致磁场非均匀性的增大，磁场非均匀性的增大又会造成伪影敏感和对比度恶化。此外，更重要的是强磁场对人体有潜在的危害，如在低磁场下可忽略的组织热会由于增强的射频能量吸收而变得很大，使人体产生不良反应如眩晕和恶心等，并且强磁场系统不适用于某些植入器械和医疗设备的患者。因此，如何采用尽量小的静磁场强度同时获得更高的成像质量成为了MRI技术中的一个至关重要的问题。
针对上述问题，目前的解决方案主要有以下四种：第一种方式为射频线圈优化方法，该方法极大地促进了MRI中探测器分辨率及扫描速度的提高。第二种方式为使用特殊的造影剂来增强局部磁场，如稀土磁性原子或磁性纳米粒子。第三种方式通过在MRI中引入具有高介电常数的板或柱状的介电谐振子来提高射频磁场的强度和降低比吸收率，从而达到提高成像分辨率和减小信噪比的效果。第四种方式采用超构材料，有效地提高了MRI的成像质量和效率。超构材料具有许多天然材料所不具备的特殊性质，利用电磁波与构建超构材料的金属或电介质基元间的相互作用及基元间的耦合效应，可以实现对电磁波传播路径与电磁场场强分布的控制。
MRI检测腔体尺寸很小，因此，其对外部加入结构的尺寸非常苛刻。针对第四种方式中的基于金属丝阵列的超构表面器件，其使用高介电物质(例如水)来降低电磁波波长。而另外一些超构表面器件采用构造电容的方式来降低结构尺寸，使其适用于MRI系统。
然而，目前采用构造电容降低结构尺寸的超构表面器件仍有待改进。
发明内容
本发明是基于发明人的以下发现而完成的：
发明人发现，目前在核磁共振成像系统中，采用构造电容降低结构尺寸的超构表面器件，存在结构复杂以及谐振频率不可调的缺陷。具体的，目前的超构表面器件构造电容的方式不够优化：目前的超构表面器件由三块印刷线路板构成，其中两块印刷线路板中的任一块印刷线路板的正面和背面均设置有导电电极，以构成平行板电容器，上述两块印刷线路板正对设置，第三块印刷线路板与上述两块印刷线路板垂直设置，并与上述两块印刷线路板串联连接。也即是说，目前的超构表面器件为三维立体结构，结构较复杂，且占用的空间较大，导致超表面在三个维度上都比较大，影响其在核磁共振成像系统中的应用。此外，目前的超构表面器件的谐振频率在特定环境下固定，但是其谐振频率又很容易受到环境的影响，例如，在MRI腔体外和腔体内、检查胖人和瘦人，超构表面器件的谐振频率都会有差别，导致超构表面器件的谐振频率偏移MRI的工作频率，致使其增强效果变差。
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
有鉴于此，在本发明的一个方面，本发明提出了一种用于核磁共振成像系统的超构表面器件。该超构表面器件包括：印刷线路板，所述印刷线路板包括电介质板以及分别设置在所述电介质板正面和背面的第一电极和第二电极，所述第一电极沿第一方向延伸，所述第二电极沿第二方向延伸，所述第一方向垂直于所述第二方向，且所述第二电极在所述电介质板上的正投影，位于所述第一电极在所述电介质板上正投影的两端，以构成平行板电容器；以及可变电容器，所述可变电容器与所述平行板电容器并联连接。由此，该超构表面器件具有结构简单，加工方便，占用空间小的优点，且该超构表面器件的谐振频率具有可调谐性，调节方式十分方便，使得该超构表面器件的谐振频率与核磁共振成像系统的工作频率能够较好的匹配，提高核磁共振成像系统的测试精度以及使用性能。
根据本发明的实施例，所述第一电极包括多个子电极，多个所述子电极呈阵列排布。由此，可以在印刷线路板的两端形成一系列的平行板电容器，使得超构表面器件具有均匀的磁场。
根据本发明的实施例，所述第一电极和所述第二电极均由导电非磁性材料构成，所述导电非磁性材料包括铜、金以及银的至少之一。由此，由上述材料构成的第一电极和第二电极具有良好的导电性，且便于加工制作以及适用于核磁共振成像系统。
根据本发明的实施例，所述电介质板为玻璃纤维环氧树脂板，所述电介质板的厚度为0.4-1.2mm。由此，该超构表面器件具有较薄的厚度，占用核磁共振成像系统检测腔体的空间较小。
根据本发明的实施例，所述超构表面器件的初始谐振频率比所述核磁共振成像系统的工作频率高3-5MHz。由此，便于通过可变电容器调节超构表面器件的谐振频率与核磁共振成像系统的工作频率相等。
根据本发明的实施例，所述可变电容器的电容值为0～200pF。由此，可以实现对超构表面器件谐振频率的有效调节。
根据本发明的实施例，在所述第一方向上，所述第一电极的长度，与两个所述第二电极的宽度的差值为所述第一电极的有效长度，所述第一电极的有效长度由所述超构表面器件的初始谐振频率以及所述电介质板的材料、厚度确定。由此，可以获得检测区域的长度。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种核磁共振成像系统。根据本发明的实施例，该核磁共振成像系统包括前面所述的超构表面器件，由此，该核磁共振成像系统具有前面所述的超构表面器件的全部特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，该核磁共振成像系统具有较高的检测精度以及良好的使用性能。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备前面所述的超构表面器件的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：1)根据所述核磁共振成像系统的工作频率确定所述超构表面器件的初始谐振频率，所述超构表面器件的初始谐振频率比所述核磁共振成像系统的工作频率高3-5MHz；2)根据所述超构表面器件的初始谐振频率确定所述电介质板的介电常数、厚度以及所述第一电极的有效长度；3)根据步骤2)获得的参数制作所述印刷线路板；4)在所述第一电极和所述第二电极之间焊接所述可变电容器，以便获得所述超构表面器件。由此，利用简单的方法即可获得结构简单、占用空间小、谐振频率可调的超构表面器件。
根据本发明的实施例，该方法进一步包括：调节所述可变电容器，令所述超构表面器件的谐振频率比所述核磁共振成像系统的工作频率高1.5-2.5MHz。由此，在将该超构表面器件放入核磁共振成像系统之前，对该超构表面器件的谐振频率进行调节，可以缩短该超构表面器件在放入核磁共振成像系统之后的调节时间，以便减少使用的费用。
附图说明
图1显示了根据本发明一个实施例的超构表面器件的结构示意图；
图2显示了根据本发明一个实施例的超构表面器件的俯视图；
图3显示了根据本发明另一个实施例的超构表面器件的俯视图；
图4显示了现有技术中超构表面器件的结构示意图；
图5显示了现有技术中超构表面器件的截面图；
图6显示了根据本发明一个实施例的超构表面器件的俯视图；
图7显示了根据本发明一个实施例的制备超构表面器件的方法的流程示意图；
图8显示了通过电磁仿真软件得到的根据本发明实施例的超构表面器件在不同电容值下的谐振频率；以及
图9显示了通过矢量网络分析仪和环形天线测得的根据本发明实施例的超构表面器件在不同电容值下的谐振频率。
附图标记说明：
100：印刷线路板；110：电介质板；120：第一电极；121：子电极；130：第二电极；200：可变电容器；10：第一印刷线路板；20：第二印刷线路板；30：第三印刷线路板；40：导电电极。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的一个方面，本发明提出了一种用于核磁共振成像系统的超构表面器件。根据本发明的实施例，参考图1-图3，该超构表面器件包括：印刷线路板100以及可变电容器200。其中，印刷线路板100包括电介质板110以及分别设置在电介质板110正面和背面的第一电极120和第二电极130，第一电极120沿第一方向延伸，第二电极130沿第二方向延伸(如图2以及图3所示)，第一方向垂直于第二方向，且第二电极130在电介质板110上的正投影，位于第一电极120在电介质板110上正投影的两端，以构成平行板电容器，可变电容器200与上述平行板电容器并联连接。由此，该超构表面器件具有结构简单，加工方便，占用空间小的优点，且该超构表面器件的谐振频率具有可调谐性，调节方式十分方便，使得该超构表面器件的谐振频率与核磁共振成像系统的工作频率能够较好的匹配，提高核磁共振成像系统的测试精度以及使用性能。
为了便于理解，下面首先对根据本发明实施例的超构表面器件进行简单说明：
如前所述，目前采用构造电容降低结构尺寸的超构表面器件，存在结构复杂以及谐振频率不可调的缺陷。具体的，参考图4以及图5，目前的超构表面器件包括：第一印刷线路板10、第二印刷线路板20、第三印刷线路板30以及导电电极40，其中，第二印刷线路板20和第三印刷线路板30正对设置，且第二印刷线路板20的正面和背面分别设置有导电电极40B和40C，构成平行板电容器，第三印刷线路板30的正面和背面也分别设置有导电电极40B和40C，构成平行板电容器(如图5所示)，第一印刷线路板10上设置有导电电极40A，第一印刷线路板10与第二印刷线路板20、第三印刷线路板30垂直设置，并且第一印刷线路板10与第二印刷线路板20、第三印刷线路板30串联连接。目前的超构表面器件由三块印刷线路板构成，且为三维立体结构，结构较复杂，占用的空间较大，不利于超构表面器件在核磁共振成像系统中的应用。此外，目前的超构表面器件在制作好之后，其谐振频率在特定环境下固定，受环境影响其谐振频率会偏移核磁共振成像系统的工作频率，超构表面器件的谐振频率偏移之后不可调，导致超构表面器件的增强效果变差，影响核磁共振成像系统的使用。
根据本发明的实施例，该超构表面器件由一块印刷线路板构成，在印刷线路板的正面和背面分别设置有第一电极和第二电极，形成平行板电容器，该超构表面器件为二维结构，结构简单，占用空间较小，利于超构表面器件在核磁共振成像系统中的应用，并且该超构表面器件设置有可变电容器，可变电容器与上述平行板电容器并联连接，可以利用可变电容器调节超构表面器件的谐振频率，修正由于环境因素造成的超构表面器件谐振频率偏移，使得超构表面器件的谐振频率与核磁共振成像系统的工作频率能够较好的匹配，以提高核磁共振成像系统的测试精度和使用性能。
下面根据本发明的具体实施例，对该超构表面器件的各个结构进行详细说明：
根据本发明的实施例，参考图2以及图3，该超构表面器件由一个印刷线路板100构成，印刷线路板100的正面设置有沿第一方向延伸的第一电极120(如图2所示)，印刷线路板100的背面设置有沿第二方向延伸的第二电极130(如图3所示)，第一方向和第二方向垂直，且第二电极130在印刷线路板100上的正投影，位于第一电极120在印刷线路板100上正投影的两端，以在印刷线路板100沿第一方向的两端分别形成平行板电容器。也即是说，印刷线路板上形成L-C电路，可以通过印刷线路板的L-C谐振效应来控制印刷线路板表面磁场和电场的分布，当印刷线路板处于谐振状态时，印刷线路板表面的电磁场会得到大幅度增强，并且磁场主要分布在两个第二电极之间的区域，电场主要分布在印刷线路板上第一电极的两端，由此，两个第二电极之间的区域作为检测区域，同时可以避开两端的电场，减少热量对检测的影响。
在超构表面器件中构造电容(两个电极形成的电容)，有利于降低超构表面器件检测区域的长度。具体的，参考图2以及图3，第一电极120与第二电极130构成平行板电容器，第一电极120在第一方向上的长度为L1，第二电极130在第一方向上的宽度为D，第一电极120的有效长度L2，即检测区域在第一方向上的长度，等于第一电极120的长度与两个第二电极130的宽度的差值，也即是说，L2＝L1-2D。检测区域的长度与平行板电容器的电容之间具有以下关系：
其中，L2为第一电极的有效长度，W为第一电极的波阻抗，X为平行板电容器的容抗，C为平行板电容器的电容，
为角频率。
当电容C为0时，即超构表面器件中不存在电容时，容抗X趋近于-∞，将公式(2)代入公式(1)中，
趋近于0，则
趋近于0，得到L2趋近于
也即是说，当超构表面器件中不存在电容时，检测区域的长度为
检测区域的长度过大。当在超构表面器件中形成电容后，检测区域的长度小于
由此，在超构表面器件中形成电容可以降低结构的尺寸。
根据本发明的实施例，该超构表面器件中具有两个电极形成的电容，使得检测区域具有较短的长度，且该超构表面器件由一块印刷线路板构成，两个电极分别设置在印刷线路板的正面和背面，将传统的三维立体结构简化为二维平面结构，省去了两块印刷线路板，使得该超构表面器件具有简单的结构，减小了超构表面器件占用的空间，使超构表面器件占用核磁共振成像系统检测腔体的空间较小，有利于其在核磁共振成像系统中的应用。
根据本发明的实施例，参考图6，第一电极120包括多个子电极121，多个子电极121呈阵列排布。由此，可以在印刷线路板的两端形成一系列的平行板电容器，使得超构表面器件具有均匀的磁场。关于子电极的个数不受特别限制，只要可以使超构表面器件产生均匀的磁场，且不会产生过多的热量即可，本领域技术人员可以根据印刷线路板的具体尺寸进行设计。例如，根据本发明的实施例，当电介质板110为224mm×192mm尺寸的电路板时，子电极121的个数可以为6-18。由此，可以使印刷线路板产生均匀的磁场，且不会产生过多的热量，使得超构表面器件具有良好的使用性能。根据本发明的具体实施例，子电极121的个数可以为6、8、10、13、15、16。
根据本发明的实施例，第一电极120和第二电极130可以均是由导电非磁性材料构成的，具体的，构成第一电极120和第二电极130的材料可以包括铜、金以及银的至少之一。由上述材料形成的第一电极和第二电极具有良好的导电性能，且便于加工制作，另外上述材料为非磁性材料，适用于核磁共振成像系统。
关于电介质板的构成材料不受特别限制，只要为绝缘材料且能与两个电极形成平行板电容器即可，本领域技术人员可以根据具体情况进行设计。例如，根据本发明的实施例，电介质板110可以为玻璃纤维环氧树脂板。根据本发明的实施例，电介质板110的厚度可以为0.4-1.2mm。由此，该超构表面器件具有较薄的厚度，占用核磁共振成像系统检测腔体的空间较小。根据本发明的具体实施例，电介质板110的厚度可以为0.6mm、0.8mm、1.0mm。
根据本发明的实施例，该超构表面器件的初始谐振频率比核磁共振成像系统的工作频率高3-5MHz。由此，便于通过可变电容器调节超构表面器件的谐振频率与核磁共振成像系统的工作频率相等。需要说明的是，“超构表面器件的初始谐振频率”是指可变电容器200的电容值为0时的超构表面器件的谐振频率。发明人发现，超构表面器件在放入核磁共振成像系统之后，超构表面器件的谐振频率会有所降低，并且根据本发明实施例的超构表面器件中设置有可变电容器，使用可变电容器会进一步降低超构表面器件的谐振频率。因此，将超构表面器件的初始谐振频率设计的比核磁共振成像系统的工作频率高出一定的频率余量，即3-5MHz，一方面可以利用频率余量补偿由于上述因素导致的超构表面器件谐振频率的降低，另一方面补偿后剩余的频率余量可以通过可变电容器进行调节，将补偿后剩余的频率余量调节为0，也即是说，利用可变电容器将超构表面器件的谐振频率调节至与核磁共振成像系统工作频率相等，从而可以修正由于环境因素造成的超构表面器件谐振频率偏移，使得超构表面器件的谐振频率与核磁共振成像系统的工作频率能够较好的匹配，以提高核磁共振成像系统的测试精度和使用性能。
根据本发明的实施例，可变电容器200的电容值可以为0～200pF。由此，可以实现对超构表面器件谐振频率的有效调节。发明人发现，当可变电容器的电容值高于上述范围时，增大可变电容器的电容值，超构表面器件的谐振频率变化较小，也即是说，当可变电容器的电容值高于上述范围时，可变电容器对超构表面器件谐振频率的调节作用较小，因此，通过对可变电容器电容值的合理设计，可以实现对超构表面器件谐振频率的有效调节，同时可以避免资源利用的浪费。
根据本发明的实施例，参考图2以及图3，第一电极120的有效长度L2＝L1-2D，且第一电极120的有效长度L2可以通过超构表面器件的初始谐振频率以及电介质板110的材料、厚度确定。具体的，首先根据核磁共振成像系统的工作频率确定超构表面器件的初始谐振频率，超构表面器件的初始谐振频率比核磁共振成像系统的工作频率高3-5MHz。随后，确定电介质板110的材料以及厚度，根据电介质板110的材料可以确定其介电常数。随后，在电磁仿真软件上输入电介质板110的介电常数、厚度，以及超构表面器件的初始谐振频率，调节第一电极120的有效长度，使得超构表面器件的谐振频率等于其初始谐振频率，即可获得第一电极120的有效长度。
根据本发明的实施例，当超构表面器件各结构的尺寸确定之后，其初始谐振频率即确定，在超构表面器件使用过程中，通过调节可变电容器200的电容值，可以实现对超构表面器件谐振频率的调节。具体的，可变电容器200与平行板电容器并联连接，整个超构表面器件的电容为可变电容器200与平行板电容器的等效电容，即整个超构表面器件的电容值为可变电容器200的电容值与平行板电容器的电容值之和。整个超构表面器件的谐振频率f'与等效电容C'满足以下关系：
其中，f'为超构表面器件的谐振频率，C'为超构表面器件的等效电容，L为电感感抗。
根据本发明的实施例，可变电容器200的电容值范围为0-200pF，调节可变电容器200，即增大可变电容器200的电容值，使得整个超构表面器件的等效电容C'增大，从而降低整个超构表面器件的谐振频率f'。如前所述，根据本发明的实施例，超构表面器件的初始谐振频率比核磁共振成像系统的工作频率高3-5MHz，由此，可以通过调节可变电容器使得超构表面器件的谐振频率降低，以实现超构表面器件谐振频率与核磁共振成像系统工作频率的匹配。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种核磁共振成像系统。根据本发明的实施例，该核磁共振成像系统包括前面描述的超构表面器件，由此，该核磁共振成像系统具有前面描述的超构表面器件的全部特征以及优点，在此不再赘述。总的来说，该核磁共振成像系统具有较高的检测精度以及良好的使用性能。
在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备前面描述的超构表面器件的方法。根据本发明的实施例，参考图7，该方法包括：
S100：根据核磁共振成像系统的工作频率确定超构表面器件的初始谐振频率
根据本发明的实施例，在该步骤中，根据核磁共振成像系统的工作频率确定超构表面器件的初始谐振频率。具体的，核磁共振成像系统的工作频率由核磁共振成像系统中的主磁场确定，核磁共振成像系统工作频率的计算公式如下：
f”＝γB0 (4)
其中，f”为核磁共振成像系统的工作频率，γ为氢原子的旋磁比，γ的值为42.58MHz/T，B0为核磁共振成像系统的主磁场强度。
例如，对于主磁场强度B0为1.5T的核磁共振成像系统，其工作频率f”为63.87MHz，对于主磁场强度B0为3T的核磁共振成像系统，其工作频率f”为127.74MHz，对于主磁场强度B0为7T的核磁共振成像系统，其工作频率f”为298.06MHz。
根据本发明的实施例，超构表面器件的初始谐振频率f比核磁共振成像系统的工作频率f”高3-5MHz，由此，当核磁共振成像系统的主磁场强度确定之后，即可确定超构表面器件的初始谐振频率。例如，根据本发明的具体实施例，对于主磁场强度B0为1.5T的核磁共振成像系统，超构表面器件的初始谐振频率f可以为67MHz，对于主磁场强度B0为3T的核磁共振成像系统，超构表面器件的初始谐振频率f可以为132MHz，对于主磁场强度B0为7T的核磁共振成像系统，超构表面器件的初始谐振频率f可以为302MHz。
S200：确定电介质板的介电常数、厚度以及第一电极的有效长度
根据本发明的实施例，在该步骤中，确定电介质板的介电常数、厚度以及第一电极的有效长度。根据本发明的实施例，电介质板可以选用玻璃纤维环氧树脂板，玻璃纤维环氧树脂的介电常数为4.2～4.7，电介质板的厚度可以为0.4-1.2mm。由此，可以使最终形成的超构表面器件具有较薄的厚度，且可以实现超构表面器件的使用功能。
根据本发明的实施例，在电磁仿真软件上输入电介质板的介电常数、厚度，以及超构表面器件的初始谐振频率，调节第一电极的有效长度，使得超构表面器件的谐振频率等于其初始谐振频率，即可获得第一电极的有效长度。
具体的，第一电极的有效长度L2与电介质板介电常数、厚度以及超构表面器件初始谐振频率的关系如下：
其中，L2为第一电极的有效长度，W为第一电极的波阻抗，X为平行板电容器的容抗，c为光在真空中的传播速度，λ为电磁波波长，ε为电介质板的介电常数，S为平行板电容器的正对面积，d为电介质板的厚度，f为超构表面器件的初始谐振频率。
由此，当超构表面器件的初始谐振频率以及电介质板的介电常数、厚度均已确定的情况下，可以获得第一电极的有效长度。需要说明的是，调节第一电极的有效长度L2，实际为调节子电极的长度L1、宽度D'(如图6所示)以及第二电极的宽度D，使得超构表面器件的谐振频率等于其初始谐振频率，在电磁仿真软件上输入电介质板的介电常数、厚度以及超构表面器件的初始谐振频率等参数之后，即可获得子电极的长度、宽度以及第二电极的宽度等尺寸，由此，便于后续步骤通过上述参数制作印刷线路板。
也即是说，根据本发明实施例的超构表面器件可以调节第一电极的有效长度、电介质板的介电常数以及厚度、平行板电容器的正对面积，获得所需的初始谐振频率。
S300：根据上述参数制作印刷线路板
根据本发明的实施例，在该步骤中，根据上述参数制作印刷线路板。根据本发明的实施例，根据电磁仿真软件模拟得到的子电极的长度、宽度以及第二电极的宽度，在玻璃纤维环氧树脂板的正面和背面分别设置第一电极和第二电极，以便获得印刷线路板。关于第一电极和第二电极的位置关系，前面已经进行了详细描述，在此不再赘述。
S400：在第一电极和第二电极之间焊接可变电容器，以便获得超构表面器件
根据本发明的实施例，在该步骤中，在第一电极和第二电极之间焊接可变电容器，以便获得超构表面器件。根据本发明的实施例，可变电容器的一端与第一电极连接，另一端与第二电极连接，以并联方式与第一电极和第二电极形成的平行板电容器连接，获得超构表面器件。根据本发明的实施例，第一电极包括多个呈阵列排布的子电极，可变电容器可以与第二电极以及第二方向上的最后一个子电极相连(如图6所示)，构成超构表面器件。
根据本发明的实施例，超构表面器件制备好之后，可以通过调节可变电容器，实现对超构表面器件谐振频率的调节，使得超构表面器件的谐振频率与核磁共振成像系统的工作频率相匹配。根据本发明的实施例，超构表面器件的谐振频率可以通过矢量网络分析仪和环形天线进行测试得到。
根据本发明的实施例，该超构表面器件各结构的参数通过电磁仿真获得，为了保证该超构表面器件使用的准确性，分别通过电磁仿真软件以及矢量网络分析仪和环形天线，测试该超构表面器件在不同电容值下的谐振频率。具体的，参考图8以及图9，图8为通过电磁仿真软件测得的超构表面器件在不同电容值下的谐振频率，当可变电容器的电容值分别为0pF、50pF、100pF、150pF和200pF时，超构表面器件对应的谐振频率分别为130.65MHz、126.66MHz、125.33MHz、124.76MHz和124.38MHz。
图9为通过矢量网络分析仪和环形天线测得的超构表面器件在不同电容值下的谐振频率，对于电容值为0～200pF的可变电容器，超构表面器件的谐振频率调节范围为130.66MHz-124.05MHz，其中130.66MHz为可变电容器的电容值为0pF时的超构表面器件的谐振频率，124.05MHz为可变电容器的电容值为200pF时的超构表面器件的谐振频率，图9中的C1和C2为选自0-200pF中的两个中间值。
通过图9和图8的测试结构可知，实验测得的超构表面器件的谐振频率随可变电容器电容值变化的规律与电磁仿真测得的规律一致。由此，根据本发明实施例的方法制备的超构表面器件具有良好的使用性能。
根据本发明的实施例，在将该超构表面器件放入核磁共振成像系统之前，该方法还可以包括：调节可变电容器，令超构表面器件的谐振频率比核磁共振成像系统的工作频率高1.5-2.5MHz。由此，在将该超构表面器件放入核磁共振成像系统之前，首先对该超构表面器件的谐振频率进行调节，将超构表面器件与核磁共振成像系统之间的频率余量由3-5MHz缩小至1.5-2.5MHz，可以缩短该超构表面器件在放入核磁共振成像系统之后的调节时间，以便减少使用的费用。
为了便于理解，下面对应用该超构表面器件的核磁共振成像系统的使用方法进行简单说明：
首先，将由上述方法制备的超构表面器件放入核磁共振成像系统中，且该超构表面器件的谐振频率经过了第一次调节，超构表面器件的谐振频率比核磁共振成像系统的工作频率高1.5-2.5MHz。随后，调节可变电容器，对该超构表面器件的谐振频率进行第二次调节，令超构表面器件的谐振频率与核磁共振成像系统的工作频率相等，以实现核磁共振成像系统的使用。
下面通过具体的实施例对本发明的方案进行说明，需要说明的是，下面的实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
该超构表面器件由一块印刷线路板和可变电容器构成，印刷线路板正面的第一电极包括10个子电极，子电极沿第一方向的长度L1为222mm，沿第二方向的宽度D'为10mm，厚度为0.05mm。印刷线路板背面的第二电极沿第二方向的长度为190mm，沿第一方向的宽度D为50mm，厚度为0.05mm。电介质板为玻璃纤维环氧树脂板，介电常数为4.2～4.7，电介质板沿第一方向的长度为224mm，沿第二方向的宽度为192mm，厚度为0.8mm。电介质板正面呈阵列排布的子电极与电介质板背面的第二电极形成一系列平行板电容器，电介质板作为平行板电容器的电介质。可变电容器的电容值为0～200pF，以焊接方式连接到正面的第一电极与背面的第二电极之间，与平行板电容器并联。调节上述可变电容器的电容值，可以改变印刷线路板的等效电容值，从而改变超构表面器件的谐振频率。该超构表面器件的整体厚度为1mm，具有较薄的厚度，占用空间较小。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“另一个实施例”等的描述意指结合该实施例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种用于核磁共振成像系统的超构表面器件，其特征在于，包括：
印刷线路板，所述印刷线路板包括电介质板以及分别设置在所述电介质板正面和背面的第一电极和第二电极，所述第一电极沿第一方向延伸，所述第二电极沿第二方向延伸，所述第一方向垂直于所述第二方向，且所述第二电极在所述电介质板上的正投影，位于所述第一电极在所述电介质板上正投影的两端，以构成平行板电容器；以及
可变电容器，所述可变电容器与所述平行板电容器并联连接，
所述超构表面器件的初始谐振频率比所述核磁共振成像系统的工作频率高3-5MHz，在所述第一方向上，所述第一电极的长度，与两个所述第二电极的宽度的差值为所述第一电极的有效长度，所述第一电极的有效长度由所述超构表面器件的初始谐振频率以及所述电介质板的材料、厚度确定。
2.根据权利要求1所述的超构表面器件，其特征在于，所述第一电极包括多个子电极，多个所述子电极呈阵列排布。
3.根据权利要求1所述的超构表面器件，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极均由导电非磁性材料构成，所述导电非磁性材料包括铜、金以及银的至少之一。
4.根据权利要求1所述的超构表面器件，其特征在于，所述电介质板为玻璃纤维环氧树脂板，所述电介质板的厚度为0.4-1.2mm。
5.根据权利要求1所述的超构表面器件，其特征在于，所述可变电容器的电容值为0～200pF。
6.一种核磁共振成像系统，其特征在于，包括权利要求1-5任一项所述的超构表面器件。
7.一种制备权利要求1-5任一项所述的超构表面器件的方法，其特征在于，包括：
1)根据所述核磁共振成像系统的工作频率确定所述超构表面器件的初始谐振频率，所述超构表面器件的初始谐振频率比所述核磁共振成像系统的工作频率高3-5MHz；
2)根据所述超构表面器件的初始谐振频率确定所述电介质板的介电常数、厚度以及所述第一电极的有效长度；
3)根据步骤2)获得的参数制作所述印刷线路板；
4)在所述第一电极和所述第二电极之间焊接所述可变电容器，以便获得所述超构表面器件。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，进一步包括：
调节所述可变电容器，令所述超构表面器件的谐振频率比所述核磁共振成像系统的工作频率高1.5-2.5MHz。
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Legal Events
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Application publication date: 20190319 Assignee: Qingchao Zhuoying (Beijing) Medical Technology Co.,Ltd. Assignor: TSINGHUA University Contract record no.: X2024980006262 Denomination of invention: Metastructured surface devices and preparation methods, nuclear magnetic resonance imaging systems Granted publication date: 20200605 License type: Common License Record date: 20240527 |
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