CN117148242B - 一种基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器，涉及磁场增强器领域，该磁场增强器包括：超材料结构、表面线圈和去耦超表面；去耦超表面设置于超材料结构和表面线圈之间；超材料结构的两个金属圆环分别固定于若干个等间隔排列的板子的两端；板子的金属涂层设置于介质层的下方；两个第一可变电容器分别焊接在金属涂层的两端；表面线圈的金属环上等间隔设置有多个开口；第二可变电容器放置于开口；去耦超表面的入射表面金属结构和透射表面金属结构分别设置于中间介质层的两个表面；入射表面金属结构相对于透射表面金属结构旋转第二设定角度。本发明提高了磁共振成像的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及磁场增强器领域，特别是涉及一种基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器。
背景技术
磁共振成像（MRI）广泛应用于全身肿瘤、神经系统等疾病的早期诊断和筛查。近些年，电磁超材料的迅速发展促进了电磁学的范式转移——人们通过设计单元结构可以在亚波长范围内多自由度地操纵电磁响应。电磁超材料利用电磁波与超表面的金属或介电元件之间的相互作用效应以及元件之间的耦合效应，可以控制电磁波的传播路径和场分布。通过工程设计表现出在自然材料中不存在的特性，从而产生强大的设计灵活性。在操纵电磁波的装置、设备设计和制造中显示出应用潜力。而目前的电磁超材料在磁共振图像中信噪比较低，成像转化效率受限。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器，以提高磁共振成像的信噪比。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器，包括：超材料结构、表面线圈和去耦超表面；所述去耦超表面设置于所述超材料结构和所述表面线圈之间；
所述超材料结构包括若干个等间隔排列的板子和两个金属圆环；两个所述金属圆环分别固定于若干个等间隔排列的板子的两端；所述板子包括金属涂层、介质层和两个第一可变电容器；所述金属涂层设置于所述介质层的下方；两个所述第一可变电容器分别焊接在所述金属涂层的两端；
所述表面线圈包括金属环和多个第二可变电容器；所述金属环上等间隔设置有多个开口；所述第二可变电容器放置于所述开口；所述第二可变电容器和所述开口一一对应；
所述去耦超表面为曲面；所述去耦超表面包括多个入射表面金属结构、中间介质层和多个透射表面金属结构；所述入射表面金属结构和所述透射表面金属结构分别设置于所述中间介质层的两个表面；所述入射表面金属结构和所述透射表面金属结构均为具有第一开口、第二开口和第三开口的圆环；所述第一开口和所述第二开口相对设置；所述第三开口与所述第一开口的夹角或者所述第三开口与所述第二开口的夹角成第一设定角度；所述入射表面金属结构相对于所述透射表面金属结构旋转第二设定角度。
可选地，所述去耦超表面与所述超材料结构之间的距离等于所述表面线圈与所述超材料结构之间的距离。
可选地，所述第一可变电容器的电容值取值范围为6.5pF-30pF。
可选地，所述介质层的材料为罗杰斯板材。
可选地，所述金属圆环的金属材料为铜、金或者PEC。
可选地，所述金属环为圆环、方环或者六边形环。
可选地，所述去耦超表面的弯曲半径的范围为48mm-70mm。
可选地，多个所述入射表面金属结构和多个所述透射表面金属结构的排列方式均为n×n排列。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明的基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器，采用圆柱体超材料结构，可实现磁共振成像应用中对目标区域中的射频磁场均匀性增强。通过添加第一可变电容器，实现对射频接收阶段的调谐，使超材料结构在接收周期的拉莫尔频率处谐振，并显著增强接收磁场。另外，采用表面线圈与超材料结构联合的形式，将二者的谐振频率都调谐到1.5T磁场的拉莫尔频率处，相比单独的超材料，二者同频共振可以将磁场强度进一步均匀提升，实现射频接收过程中的磁场大幅度增强，从而将磁共振成像过程中的信噪比提高到前所未有的程度。最后，本发明采用双层结构形式的去耦超表面对表面线圈和超材料进行解耦，在支撑谐振单元的介质基板两侧分别印刷有周期性的谐振单元结构（入射表面金属结构和透射表面金属结构），通过对谐振单元的尺寸、谐振单元间距以及谐振单元排布个数进行调整，可以适应不同表面线圈与超材料结构的去耦需求，使周期性的开口谐振环在所需频段内谐振。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器结构示意图；
图2为去耦超表面正面金属结构示意图；
图3为去耦超表面反面金属结构示意图；
图4为超材料结构频率分布曲线图；
图5为超材料结构磁场增强效果图；
图6为超材料结构+表面线圈联合仿真频率分布曲线图；
图7为超材料结构+表面线圈联合仿真磁场增强效果图；
图8为基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器仿真模型正面示意图；
图9为基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器仿真模型反面示意图；
图10为超材料结构+表面线圈+共形去耦超表面磁场增强效果图；
图11为共形去耦超表面各转化率曲线示意图。
附图符号说明：1、超材料结构；2、表面线圈；3、去耦超表面。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器，以提高磁共振成像的信噪比。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明的基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器，包括：超材料结构1、表面线圈2和去耦超表面3；所述去耦超表面3设置于所述超材料结构1和所述表面线圈2之间。所述去耦超表面3的放置位置与表面线圈1和超材料结构2的间距相等，优选介于15mm-20mm。
所述超材料结构1包括若干个等间隔排列的板子和两个金属圆环；两个所述金属圆环分别固定于若干个等间隔排列的板子的两端；所述板子包括金属涂层、介质层和两个第一可变电容器；所述金属涂层设置于所述介质层的下方；两个所述第一可变电容器分别焊接在所述金属涂层的两端。
在实际应用中，超材料结构1由12块板子组成，相邻板子之间有相同的角度差，每块板子均有三层结构，最底层为金属涂层，中间为介质材料（介质层），两端为金属圆环，起到固定与连接作用。每块板子两端都焊接上第一可变电容器，起到调节谐振频率的效果。
所述超材料结构1的12块板子的长度优选介于200mm-250mm，宽度优选介于10mm-15mm，相邻两块板子的间隔优选介于10mm-15mm，且间隔最好大于板子宽度3mm-5mm。两端铜环（金属圆环）的长度（周长）取决于12块板子的宽度和间隔的总长，宽度优选介于29mm-50mm。圆柱形结构的半径优选介于45mm-50mm。所述第一可变电容器的范围可以在6.5pF-30pF。
所述超材料结构1的介质层可以为PCB板、塑料、高介电系数材料等，所述介质层的厚度优选为0.4mm-0.6mm之间。
所述金属圆环的材料可以为铜、金及PEC等电导体。
所述表面线圈2包括金属环和多个第二可变电容器；所述金属环上等间隔设置有多个开口；所述第二可变电容器放置于所述开口；所述第二可变电容器和所述开口一一对应。
在实际应用中，表面线圈2由金属环和电容（第二可变电容器）组成，每个金属环具有等数量等宽度的缺口，每个缺口内分别放置一个第二可变电容器，对表面线圈2进行调谐。
所述表面线圈2的金属环可以采用圆环、方环、六边形环等形状，线圈数量可以在1-3之间，添加电容数量可以为4-6个。
所述去耦超表面3为曲面；所述去耦超表面3包括多个入射表面金属结构、中间介质层和多个透射表面金属结构；所述入射表面金属结构和所述透射表面金属结构分别设置于所述中间介质层的两个表面；所述入射表面金属结构和所述透射表面金属结构均为具有第一开口、第二开口和第三开口的圆环；所述第一开口和所述第二开口相对设置；所述第三开口与所述第一开口的夹角或者所述第三开口与所述第二开口的夹角成第一设定角度；所述入射表面金属结构相对于所述透射表面金属结构旋转第二设定角度。
在实际应用中，去耦超表面3分为三个部分，分别是入射表面金属结构、中间介质层和透射表面金属结构，入射表面金属结构和透射表面金属结构都具有三处裂环缺口，第三个缺口（第三开口）分别在其中一个缺口关于圆环的圆心旋转的±32°处，上下两个圆环的关系可以看作是入射面的电磁超表面金属单元结构（入射表面金属结构）先关于x轴或者y轴做一个轴对称变换，然后平移到透射面的水平面，再顺时针或者逆时针旋转95°，就能得到完整的电磁超表面单元结构。
所述去耦超表面3排列方式可以根据不同磁共振成像系统要求的波段进行选择。共形弯曲半径优选介于48mm-70mm的圆柱体。
在实施例中，所述超材料结构1每块板子的长度为250mm，宽度为15mm，相邻板子的间隔为10mm。两端铜环的宽度为29mm，半径为48mm。所述介质层的材质为罗杰斯板材，型号为RO4003C，所述介质层的厚度为0.51mm。
表面线圈2采用方环结构，数量为1，电容数量为4个，正方形的每条边中间添加一个。
为了适应超材料结构参数，去耦超表面3采取3×3的排列方式，共形弯曲时的半径选择为60mm的圆柱体。
去耦超表面3的位置距离表面线圈2与超材料结构1等距，为15mm。
本发明中，采用表面线圈2与超材料结构1联合方式，将磁共振磁场进一步增强，超材料内部的磁场强度达到更均匀增强的效果。且表面线圈与超材料作为含电容结构，可以通过改变线圈数量以及二者的容值以适应不同的磁共振系统，都可以起到同样的效果，大幅提升信噪比以及成像质量。
采用共形去耦超表面（去耦超表面3）对表面线圈2和超材料结构1进行解耦，去耦能避免电磁波的耦合损耗，共形能使超表面贴合超材料结构，所以加入共形去耦超表面后不仅对电磁波进行了极化转换去除二者间的耦合（因为入射表面金属结构和透射表面金属结构的非对称性和多缺口环的存在，使得电磁超表面有了各向异性的性质。很大一部分电磁波在介质层和入射、透射层不对称的作用下，相位发生变化，从而改变透射波的极化方向，能让其极化方向转化到交叉极化上），又保证了表面线圈2的磁场增强作用。
此联合结构中的共形去耦超表面具有灵活性可适应不同场强的成像需求，通过调节放置在表面线圈2与超材料结构1间的共形去耦超表面上的谐振单元尺寸，可以使得在指定的频段内的耦合有效降低。另外，通过采用不同形状的开口谐振环，可以适应不同成像系统的去耦需求，使周期性的开口谐振环在所需频段内谐振。
本发明的基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器的设计过程具体如下：
步骤一：确定一种面向1.5T高场磁共振成像射频磁场增强的超材料结构（带电容）并进行CST仿真，确保接收周期的谐振频率在63.8MHz处。
所述步骤一的具体操作为：
确定平面超材料结构的具体参数并建模：金属材料为铜，超材料结构每块板子的长度为250mm，宽度为15mm，相邻板子的间隔为10mm。12块板子总长以及铜环总长为（12×15+11×10）mm。两端铜环的宽度为29mm。圆柱形超材料结构（超材料结构1）半径为48mm。介质衬底的材质选择罗杰斯板材，型号为RO4003C，介质衬底的厚度为0.51mm。超材料结构1中的第一可变电容器与每块板子两端的铜涂层和铜环分别相连，用于调节接收和发射阶段的谐振频率。
对于圆柱形超材料结构的CST建模过程，首先对PCB板进行弯曲：建立共形圆柱与板块表面相切，再添加间隙层覆盖全部板块。用Bend layer stackup将PCB弯曲贴合到柱体表面。其次对铜贴片进行弯曲，具体类似上述操作，只是在添加间隙层时需要覆盖两端贴片。
对超材料结构1进行电磁模拟，激励采用平面波，传播方向为z轴方向（指向超材料方向），使用位于超材料结构1中央的磁场探针观察谐振频率并观察超材料结构1腔体内的频率分布曲线和磁场增强效果。频率分布曲线如图4所示，磁场效果图（基准设置为0.02A/m）如图5所示。
步骤二：在步骤一的基础上，加入表面线圈2进行联合仿真，磁场增强效果进一步均匀提升。
所述步骤二的具体步骤包括：
在超材料结构1侧面建立一个方形表面线圈，边长设置50mm，宽度设置为5mm，材料选择铜。在各边中间加入容值为82pF的电容。端口选择离散端口，进行CST仿真，在超材料结构1中央添加磁场探针观察此时的频率分布曲线和磁场增强效果，如图6和图7所示。
此时的磁场增强效果（基准设置为2A/m），不论是正视图、侧视图还是俯视图，整个超材料结构1内部颜色均匀，说明磁场是均匀增强的。且此时的增强效果比单独的超材料结构1的增强效果更好（单独超材料结构1的磁场效果图基准是0.2A/m），加入方形线圈的磁场增强能力更显著，能将磁场增强效果提升大约10倍。且整体的谐振频率不会发生大的改变，既没有谐振峰数量上的增多，也没有大的频率偏移。
步骤三：在超材料结构1与表面线圈2之间加入共形去耦超表面，通过共形去耦超表面的交叉极化转化作用减少表面线圈2与超材料结构1间的耦合，减少电磁波损耗，进一步改善表面线圈2对磁场的增强效果。
所述步骤三的具体步骤包括：
对去耦超表面3进行建模，参数设置如下：先建立入射面的金属单元结构，外半径为50mm，内半径为36mm，金属厚度为1.5mm。介质基底边长为104mm，厚度为15mm。去耦超表面3的仿真模型如图2和图3所示，图2为去耦超表面正面金属结构示意图，图3为去耦超表面反面金属结构示意图，第三个缺口分别在其中一个缺口关于圆环的圆心旋转的±32°处，底部透射面的圆环可以看作是入射面金属单元结构先关于x轴或者y轴做一个轴对称变换，然后平移到透射面的水平面，再顺时针或者逆时针旋转95°得到。再将其扩展为3×3阵列排布以匹配超材料结构1参数。
对去耦超表面3进行共形操作，得到共形去耦超表面：建立共形圆柱半径为60mm，与金属表面相切，用Bend layer stackup将超表面阵列弯曲贴合到柱体表面。
基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器的仿真模型如图8和图9所示，对超材料结构1、表面线圈2和共形去耦超表面三者联合进行模拟，其中，图8为基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器仿真模型正面示意图，图9为基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器仿真模型反面示意图。激励采用波导端口，传播方向为z轴方向，因为该仿真将共形去耦超表面向正面弯曲，所以入射电磁波从反面入射，极化方向设置为Y极化。再添加一个接收端口观察极化参数。使用位于超材料结构1中央的磁场探针观察谐振频率并观察超材料结构1腔体内的频率分布曲线和磁场增强效果。磁场效果图（基准设置为2A/m）如图10所示。可以看出，此时的磁场增强效果（基准设置为2A/m），整个超材料结构1内部呈现更深灰色，且此时的增强效果比超材料结构1+表面线圈2时的效果更显著。
将仿真所得S参数结果进行处理，分别计算交叉极化率、同极化率和交叉极化转换效率PCR，得到曲线如图11所示，其中T21代表交叉极化率，反映Y极化入射波转换为X极化透射波的效率；T11代表同极化率，反映Y极化入射波不发生转换的效率；PCR代表整体交叉极化转换效率。可以发现，对于Y极化模式的入射结果，PCR在整个波段近似为1，说明转换效率很高，大部分Y极化入射波透过超表面后转换为X极化模式。
综合整体仿真结果，可以发现，超材料结构1与去耦超表面3、方形表面线圈（表面线圈2）结合之后的磁场增强效果是最好的。且由图11可以看出，由于加入共形去耦超表面之后，将入射波与透射波进行交叉极化转换，去除了超材料结构1与表面线圈2的耦合，减少了损耗，进一步增强了磁场增强效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器，其特征在于，包括：超材料结构、表面线圈和去耦超表面；所述去耦超表面设置于所述超材料结构和所述表面线圈之间；
所述超材料结构包括若干个等间隔排列的板子和两个金属圆环；两个所述金属圆环分别固定于若干个等间隔排列的板子的两端；所述板子包括金属涂层、介质层和两个第一可变电容器；所述金属涂层设置于所述介质层的下方；两个所述第一可变电容器分别焊接在所述金属涂层的两端；
所述表面线圈包括金属环和多个第二可变电容器；所述金属环上等间隔设置有多个开口；所述第二可变电容器放置于所述开口；所述第二可变电容器和所述开口一一对应；
所述去耦超表面为曲面；所述去耦超表面包括多个入射表面金属结构、中间介质层和多个透射表面金属结构；所述入射表面金属结构和所述透射表面金属结构分别设置于所述中间介质层的两个表面；所述入射表面金属结构和所述透射表面金属结构均为具有第一开口、第二开口和第三开口的圆环；所述第一开口和所述第二开口相对设置；所述第三开口与所述第一开口的夹角或者所述第三开口与所述第二开口的夹角成第一设定角度；所述入射表面金属结构相对于所述透射表面金属结构旋转第二设定角度。
2.根据权利要求1所述的基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器，其特征在于，所述去耦超表面与所述超材料结构之间的距离等于所述表面线圈与所述超材料结构之间的距离。
3.根据权利要求1所述的基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器，其特征在于，所述第一可变电容器的电容值取值范围为6.5pF-30pF。
4.根据权利要求1所述的基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器，其特征在于，所述介质层的材料为罗杰斯板材。
5.根据权利要求1所述的基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器，其特征在于，所述金属圆环的金属材料为铜、金或者PEC。
6.根据权利要求1所述的基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器，其特征在于，所述金属环为圆环、方环或者六边形环。
7.根据权利要求1所述的基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器，其特征在于，所述去耦超表面的弯曲半径的范围为48mm-70mm。
8.根据权利要求1所述的基于超材料、表面线圈和去耦超表面的磁场增强器，其特征在于，多个所述入射表面金属结构和多个所述透射表面金属结构的排列方式均为n×n排列。
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