專利名稱：核磁共振成像中一種基于人工電磁結(jié)構(gòu)的超透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于核磁共振醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，涉及一種基于人工電磁結(jié)構(gòu)的超透鏡。
背景技術(shù)：
MRI是一種生物磁自旋成像技術(shù)，它是利用人體中氫原子核自旋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，在外加磁場內(nèi)，經(jīng)射頻脈沖(Radio frequency)激勵(lì)后產(chǎn)生信號(hào)，用探測器檢測并輸入計(jì)算機(jī)后經(jīng)過圖像處理技術(shù)在屏幕上顯示圖像。依據(jù)人體組織所釋放的能量在物質(zhì)內(nèi)部不同結(jié)構(gòu)環(huán)境中不同的衰減，通過外加梯度磁場檢測所發(fā)射出的電磁波，即可得知構(gòu)成這一物體原子核的位置和種類，據(jù)此可以繪制成物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像。作為一種新型的醫(yī)學(xué)成像手段， MRI提供的信息量不但大于醫(yī)學(xué)影像學(xué)中的其他許多成像術(shù)，而且不同于已有的成像術(shù)，因此，它對(duì)疾病的診斷具有很大的潛在優(yōu)越性。該技術(shù)在臨床診斷、科學(xué)研究的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，極大地推動(dòng)了醫(yī)學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)和認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的迅速發(fā)展。但與此同時(shí)，現(xiàn)階段核磁共振成像研究中也是存在許多問題的，例如成像速度慢 (實(shí)時(shí)性差)，成像空間分辨率隨著深度變化衰減很快，信噪比低等缺點(diǎn)。左手材料是一種新型人工電磁材料，在任何設(shè)定的頻率條件下通過合理有效地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)等效的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率或大、或小、正值、負(fù)值甚至于零。在2000年，英國科學(xué)家J. B. Pendry提出了電磁超透鏡“完美成像”的概念。用左手材料制成的平板透鏡(同時(shí)滿足介電常數(shù)和磁導(dǎo)率為-1)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)倏逝波(Evanescent wave)的成像，不僅突破了傳統(tǒng)透鏡的最大分辨率受制于電磁波長的局限(衍射極限)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)“二次匯聚效應(yīng)”。與此同時(shí)，在準(zhǔn)靜態(tài)近似條件下，只需要滿足單負(fù)即可，也即介電常數(shù)為-ι或者磁導(dǎo)率為-1。人們據(jù)此提出了不同的構(gòu)造人工電磁超透鏡的方法，以更好的實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用，其中核磁共振成像臨床應(yīng)用是研究熱點(diǎn)之一。例如由金屬棒周期型排列組合的人工電磁結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)等效介電常數(shù) ￡ = -1，可以實(shí)現(xiàn)像波導(dǎo)一樣導(dǎo)引電磁波；由開環(huán)共振單元(SRR，split ring resonator)
構(gòu)成的等效磁導(dǎo)率A'=-1的電磁平板結(jié)構(gòu)則可以突破衍射極限，這些都將在核磁共振成像中有著非常重要的應(yīng)用。在現(xiàn)代的核磁共振成像中，為了提高核磁共振成像的空間分辨率通常采用增強(qiáng)靜磁場的手段，例如現(xiàn)有商用的核磁共振成像設(shè)備(西門子等)包括ι. 5T、3T到7Τ。但是隨著磁場強(qiáng)度的提高，射頻電磁波對(duì)人體的損害也就越大，因此歐美國家在磁場場強(qiáng)的使用上是有嚴(yán)格的限制的；與此同時(shí)隨著場強(qiáng)提高，探測線圈等硬件設(shè)備的制作也存在這很大的難度。另一方面，在所有這些工作中電磁超透鏡的設(shè)計(jì)也是難點(diǎn)之一。理論分析已經(jīng)表明要實(shí)現(xiàn)如上的“完美成像”要求結(jié)構(gòu)參數(shù)必須嚴(yán)格的滿足介電常數(shù)為-ι或者磁導(dǎo)率為-1， 因而嚴(yán)格限制了電磁超透鏡的工作頻率和工作帶寬。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高核磁共振成像的空間分辨率和信噪比，本發(fā)明提供了一種基于人工電磁結(jié)構(gòu)的超透鏡。
本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為
核磁共振成像中一種基于人工電磁結(jié)構(gòu)的超透鏡，包括內(nèi)固定圈、外固定圈和多個(gè)共振單元，所述的共振單元豎直設(shè)置在內(nèi)固定圈和外固定圈之間，內(nèi)固定圈和外固定圈同圓心設(shè)置，多個(gè)共振單元以圓心為中心呈均布狀態(tài)。所述的共振單元包括長條形FR-4基板、多個(gè)LC環(huán)路共振單元和多個(gè)非磁性負(fù)載電容，在長條形FR-4基板橫向上均布有2 4個(gè)LC環(huán)路共振單元，縱向上均布有12 20 個(gè)LC環(huán)路共振單元，每個(gè)LC環(huán)路共振單元對(duì)應(yīng)一個(gè)非磁性負(fù)載電容，所述的非磁性負(fù)載電容掛載在LC環(huán)路共振單元的開口處。更進(jìn)一步地說，所述的LC環(huán)路共振單元內(nèi)直徑為10毫米 25毫米，線寬為2毫米 5毫米。更進(jìn)一步地說，相鄰兩個(gè)LC環(huán)路共振單元之間的中心距為LC環(huán)路共振單元外直徑的1. 2 1. 5倍。更進(jìn)一步地說，相鄰兩個(gè)共振單元所對(duì)應(yīng)的圓心角為8° 15°。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明制作工藝簡單，結(jié)構(gòu)是可擴(kuò)展的。在常規(guī)核磁共振成像設(shè)備中引入共振單元結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高的空間分辨率和高信噪比。


圖1是共振單元俯視圖。圖2是共振單元側(cè)視圖。圖3是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明用于核磁共振成像探測的原理圖。圖中1.非磁性負(fù)載電容；2.長條形FR-4基板；3. LC環(huán)路共振單元；4.共振單元；5.電磁超透鏡；6.被測人體組織；7.表面線圈。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種基于LC環(huán)路共振單元的彎曲環(huán)形人工電磁超透鏡，并利用其新穎電磁特性來增強(qiáng)核磁共振成像中表面線圈的信號(hào)激勵(lì)響應(yīng)和探測。在同等的設(shè)備條件下，該電磁超透鏡可以實(shí)現(xiàn)對(duì)核磁共振成像系統(tǒng)中激勵(lì)線圈的聚焦和探測線圈超分辨成像，因而可以實(shí)現(xiàn)深度和定點(diǎn)(有限區(qū)域大小)探測，并有效提高信噪比。如圖3所示，核磁共振成像中一種基于人工電磁結(jié)構(gòu)的超透鏡，包括內(nèi)固定圈、外固定圈和多個(gè)共振單元4，所述的共振單元4豎直設(shè)置在內(nèi)固定圈和外固定圈之間，內(nèi)固定圈和外固定圈同圓心設(shè)置，多個(gè)共振單元4以圓心為中心呈均布狀態(tài)；
如圖1和2所示，共振單元4包括長條形FR-4基板2、多個(gè)LC環(huán)路共振單元3和多個(gè)非磁性負(fù)載電容1，在長條形FR-4基板2橫向上均布有2個(gè)LC環(huán)路共振單元3，縱向上均布有12 20個(gè)LC環(huán)路共振單元3，每個(gè)LC環(huán)路共振單元3對(duì)應(yīng)一個(gè)非磁性負(fù)載電容1， 非磁性負(fù)載電容1掛載在LC環(huán)路共振單元3的開口處。LC環(huán)路共振單元3內(nèi)直徑為10毫米 25毫米，線寬為2毫米 5毫米。相鄰兩個(gè)LC環(huán)路共振單元3之間的中心距為LC環(huán)路共振單元3外直徑的1. 2 1.5 倍。相鄰兩個(gè)共振單元4所對(duì)應(yīng)的圓心角為8° 15°。在圖4中顯示了將該電磁超透鏡5應(yīng)用于核磁共振成像系統(tǒng)中的應(yīng)用結(jié)構(gòu)原理圖，其中忽略核磁共振成像系統(tǒng)常規(guī)外圍設(shè)備。表面線圈7采用核磁共振成像設(shè)備的基本配置，人體組織6 (特別的，例如大腦)置于環(huán)形電磁超透鏡5內(nèi)部。核磁共振成像設(shè)備中通常采用很強(qiáng)的靜磁場(1. 5T、3T到7Τ)，電磁超透鏡的所有組成單元都要求是非磁性的，所以不會(huì)與核磁共振成像中強(qiáng)靜磁場相互作用從而引入噪聲降低信噪比(SNR)。與此同時(shí)，人工電磁超透鏡的半徑設(shè)計(jì)與人體檢查部位相一致，例如人體腦部探測可以設(shè)計(jì)半徑為15 25厘米。人工電磁超透鏡并不要求制作成一個(gè)完整的環(huán)形結(jié)構(gòu)，只要最終設(shè)計(jì)滿足環(huán)形結(jié)構(gòu)的一部分也是可行的。如圖1、圖2和圖3所示，該電磁超透鏡的制作方法包括以下步驟
步驟(1)如圖1，制作一定數(shù)量的(10 50塊)一定大小的長條形FR-4基板2。步驟(2)如圖1，假定LC環(huán)路共振單元3的直徑為R (10 25毫米)，線寬為w (2 5毫米)，則LC環(huán)路共振單元3的排列周期為外直徑的1. 2 1. 5倍之間。采用微波電路工藝的制作方法在每一塊基板上鍍上LC環(huán)路共振單元3 (銅)其中LC環(huán)路共振單元 3的橫向個(gè)數(shù)滿足2 4個(gè)(橫向?yàn)殡姶懦哥R的厚度方向，隨著個(gè)數(shù)的增加，電磁超透鏡的損耗增大)；縱向個(gè)數(shù)滿足12 20個(gè)(保證對(duì)被探測部位的有效覆蓋，例如大腦)。最后保證在每個(gè)LC環(huán)路共振單元3有一定的開口大??；
步驟(3)如圖1和圖2所示，在長條形FR-4基板2上每一個(gè)LC環(huán)路共振單元的開口掛載一個(gè)外加非磁性電容1 (通常選用型號(hào)為ATC-100B，容值范圍0 470pF)；
步驟(4)如圖3所示，加工好的長條形基板共振單元4的放置方式滿足如下規(guī)定2個(gè) LC環(huán)路共振單元3方向?yàn)殡姶懦哥R的厚度方向，也即沿著環(huán)形半徑方向；12 20個(gè)LC 環(huán)路共振單元3沿著縱向方向(垂直于半徑方向，以用于覆蓋被測物體)。以相鄰一特定角度(角度范圍滿足8° 15°，例如8°、10°、12°等，以保證結(jié)構(gòu)緊湊)間隔將步驟(3)做好的FR-4基板2堆疊成環(huán)形結(jié)構(gòu)，最后采用非磁性介質(zhì)板固定即可形成電磁超透鏡結(jié)構(gòu)。在核磁共振成像設(shè)備中，通過射頻磁場與該電磁超透鏡的LC環(huán)路共振單元的相互作用，其等效的磁導(dǎo)率滿足^ = -I (實(shí)際中還存在損耗)。對(duì)于現(xiàn)有核磁共振成像系統(tǒng)，通常工作中心頻率在射頻波段(幾十 幾百兆赫茲)，帶寬為幾千赫茲。如圖1和圖2所示，該電磁超透鏡發(fā)明的基本組成單元是LC環(huán)路共振單元，根據(jù)微波電路的理論分析可以計(jì)算其分布式參數(shù)滿足如下關(guān)系式。1、LC環(huán)路共振單元的分布式電感計(jì)算
權(quán)利要求
1.核磁共振成像中一種基于人工電磁結(jié)構(gòu)的超透鏡，包括內(nèi)固定圈、外固定圈和多個(gè)共振單元，其特征在于所述的共振單元豎直設(shè)置在內(nèi)固定圈和外固定圈之間，內(nèi)固定圈和外固定圈同圓心設(shè)置，多個(gè)共振單元以圓心為中心呈均布狀態(tài)；所述的共振單元包括長條形FR-4基板、多個(gè)LC環(huán)路共振單元和多個(gè)非磁性負(fù)載電容， 在長條形FR-4基板橫向上均布有2 4個(gè)LC環(huán)路共振單元，縱向上均布有12 20個(gè)LC 環(huán)路共振單元，每個(gè)LC環(huán)路共振單元對(duì)應(yīng)一個(gè)非磁性負(fù)載電容，所述的非磁性負(fù)載電容掛載在LC環(huán)路共振單元的開口處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超透鏡，其特征在于所述的LC環(huán)路共振單元內(nèi)直徑為10毫米 25毫米，線寬為2毫米 5毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超透鏡，其特征在于相鄰兩個(gè)LC環(huán)路共振單元之間的中心距為LC環(huán)路共振單元外直徑的1. 2 1. 5倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超透鏡，其特征在于相鄰兩個(gè)共振單元所對(duì)應(yīng)的圓心角為 8° 15° 。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于人工電磁結(jié)構(gòu)的超透鏡。傳統(tǒng)設(shè)備限制了電磁超透鏡的工作頻率和工作帶寬。本發(fā)明包括內(nèi)固定圈、外固定圈和多個(gè)共振單元。共振單元豎直設(shè)置在內(nèi)固定圈和外固定圈之間，內(nèi)固定圈和外固定圈同圓心設(shè)置，多個(gè)共振單元以圓心為中心呈均布狀態(tài)。共振單元包括長條形FR-4基板、多個(gè)LC環(huán)路共振單元和多個(gè)非磁性負(fù)載電容，在長條形FR-4基板橫向上均布有LC環(huán)路共振單元，縱向上均布有LC環(huán)路共振單元，每個(gè)LC環(huán)路共振單元對(duì)應(yīng)一個(gè)非磁性負(fù)載電容，非磁性負(fù)載電容掛載在LC環(huán)路共振單元的開口處。本發(fā)明制作工藝簡單，結(jié)構(gòu)是可擴(kuò)展的。在常規(guī)核磁共振成像設(shè)備中引入共振單元結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高的空間分辨率和高信噪比。
文檔編號(hào)A61B5/055GK102349831SQ20111026556
公開日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月8日
發(fā)明者何賽靈, 劉強(qiáng), 謝易宏, 金毅 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)