一种智能超材料结构的制作方法

本发明涉及超材料结构领域，特别是涉及一种智能超材料结构。

背景技术：

1、磁共振成像技术（mri）是一种常用的医学成像技术，其基本原理是发射线圈通过发射脉冲序列，在人体内部产生共振的电磁感应场，使人体内部的原子核自发地发出信号，由接收线圈进行检测和接收，磁共振成像设备采集被测对象的傅里叶空间数据，并根据所采集数据进行重建，从而获得人体特定区域的内部结构图像。与计算机断层扫描（ct）相比，mri具有高组织分辨率、多序列成像、可三维成像以及没有电离辐射影响等优点，该技术被广泛应用于临床医学、生物医学研究和材料科学等领域。

2、超材料是一种人工创造的具有亚波长的结构，它们按照特定的方式排列，与电磁波产生共振等行为。通过单元形状、结构大小、排列方式的不同，从而实现特定波段的吸收或反射，同时信号强度也可根据材料和结构的选择来调节。超材料的研究已经引起了广泛的关注，并具有许多应用，如微波、太赫兹和光学领域。

3、在磁共振成像领域，对超材料的应用尚处于起步阶段。一些研究表明，通过使用超材料可以实现更好的成像效果。2001年wiltshire等人将基于瑞士卷结构单元的超材料用于磁共振回波信号的增强，该成果证明了超材料在磁共振成像信号增强方面的潜力。2008年freire等人利用负折射率超材料实现了一种信号透镜，通过对射频回波信号聚焦，使接收信号的信噪比提升了约60％。

4、2016年slobozhanyuk等人设计出了一种高介电常数介质为衬底的超材料，该超材料将金属导线周期排列置于高介电常数的溶液中，实验表明超材料表面成像区域的磁场被提高了2.5倍。但是这种超材料的缺点是在靠近导线边缘的区域的比吸收率(sar)值较高，这使得磁共振过程中的安全性无法得到保障，并且在靠近谐振器边界的区域中磁场均匀性较差，不利于清晰成像。

5、2019年zhao x等人提出了一种基于螺线结构单元的超材料，该成果通过在螺线管类超材料中引入一个谐振环，实现了超材料的非线性效果，在射频信号的发射阶段，抑制超材料对射频磁场的增益，在接收阶段，恢复超材料对射频磁场的增益，使超材料表面区域的snr变为之前的10～15倍。发射功率的局部增加除了干扰发射场的均匀性外，还会有组织加热和高sar的潜在威胁，此超材料不用于增强射频发射磁场，从而保障了使用超材料的安全性。但是螺线管类超材料仍然是平面结构，在磁场均匀性及用于特定结构或器官时的磁场增强效果方面仍然存在问题。并且设计一个用于特定器官的螺线管类超材料是有挑战性的，为了满足法布里-珀罗共振条件，螺线管的导线长度不应超过波长的一半，这意味着对于具有相同高度和直径的螺线管线圈，能使用的匝数有限，这限制了所产生的磁场幅度和均匀性。

6、2020年alena shchelokova等人提出了靶向临床磁共振成像的概念，该概念包括使用超材料对射频磁通量进行空间再分配和被动聚焦，以最大化感兴趣区域的传统mr系统的效率，该方法提供了靶向mri的前景。他们设计了一种专用于乳腺磁共振成像的陶瓷环谐振器，实验表明在体线圈下使用该超材料对乳腺进行磁共振成像与仅使用乳房表面线圈成像在信噪比（snr）方面接近，而平均输入功率降低49倍，射频安全增益在整个乳房平均增加了7倍。然而，由于材料应具有高温稳定性和低电磁损耗，因此由高介电常数陶瓷制成的这种结构非常脆弱并且制造起来具有挑战性。

7、2021年zhonghai chi等人设计了一种具有均匀场增强和自适应谐振模式的圆柱形无线超材料（acwm）。该超材料应用于手腕，通过电容和一对相反放置的二极管使acwm自动在射频信号发射周期和接收周期之间切换其谐振模式，可以消除射频发射场中的干扰并提高信噪比。这种适应性也使acwm适用于所有常见的临床序列，而无需对扫描参数进行任何修改。用acwm采集的人体手腕mri图像的信噪比是传统线圈的2到4倍。这提供了一种新的方法来避免元表面在rf发射场中的干扰，但是手腕磁共振成像与乳腺、脑部等器官相比医学价值相对较弱，而这种超材料由于孔径过小无法迁移使用于其他器官。

8、2021年viktor puchnin等人设计了一种乳腺用超材料，由周期性布置的电感耦合分环谐振器（slr）组成，该谐振器由伸缩铜管制成，电容器在两块印刷电路板（pcb）上以铜带的形式实现。与单独使用的传统身体线圈相比，所提出的超材料将rf磁场聚焦在感兴趣区域（roi）内，在鸟笼线圈下，乳房体模中心平面的平均snr增加了6.4倍，最大局部sar值降低18倍。但是这种超材料的调谐是靠手动调节铜棒的长短，并不便捷，同时没有考虑发射周期和接收周期之间的谐振模式变换，而且铜棒较细，仅靠两端焊接，缺少支撑，结构脆弱，很难应用于实际医疗中。

9、骆柳春等人发明了一种用于磁共振成像的磁信号增强装置[cn104459585a]，采用具有周期性阵列排布的多个人造微结构的超材料，使磁共振成像设备天线接收的信号增强。刘若鹏等人发明了一种超材料[cn102723608a]，结构单元为导电材料的走线形成的开口环，贴片电感串入开口环的走线中，结构单元周期性附着在非金属的基板上，在该超材料具有负磁导率时，响应的电磁波频率较小，能够满足磁共振成像系统对低频率的要求，增强磁共振成像产生的接收射频磁场，提高磁共振成像的信噪比。但是这些发明不便于或无法调谐。

10、综上所述，目前的科研成果仍然具有很多问题，并且在实际应用中，复杂的医疗场景会使超材料的共振频率发生变化，令其无法工作在理论设计时的最高增益状态，使射频信号不能具有最好的增强效果，图像质量无法有最好的提高，所以这些不具备动态调谐潜力的超材料在实际应用中尚有不足。所以需要设计一种适用于重要身体器官、结构稳定、便于调谐、增益较好、增益均匀性好、可实现非线性、可以实时动态调谐的智能超材料结构。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种智能超材料结构，可适用于重要身体器官、结构稳定、便于调谐、增益较好、可实现非线性、实时动态调谐。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种智能超材料结构，包括：介质衬底、导体结构、可调电容和动态调谐装置；

4、所述导体结构为圆环柱体的导体；所述导体结构的侧面设置径向对称的缺口；所述可调电容设置在所述缺口内；所述导体结构和所述可调电容设置在所述介质衬底上；所述动态调谐装置与所述可调电容连接；所述动态调谐装置用于在磁共振设备成像扫描过程中对所述可调电容的电容值进行控制。

5、可选地，所述导体结构包括多层分裂导体环和多根导体柱；

6、所述分裂导体环堆叠设置；每层所述分裂导体环的侧面均设置径向对称的缺口；每层所述分裂导体环的缺口位置相同；所述可调电容设置在每层所述分裂导体环的缺口形成的空间内；多根所述导体柱间隔固定在每层所述分裂导体环侧面。

7、可选地，相邻两根所述导体柱之间的间隔相同；所述导体柱与所述分裂导体环的轴向平行。

8、可选地，所述导体结构为圆环柱体的导体片。

9、可选地，所述动态调谐装置包括控制器和与所述控制器连接的矢量网络分析仪；所述控制器与所述可调电容连接。

10、可选地，所述分裂导体环的内径范围为150mm-180mm；所述分裂导体环的外径范围为154mm-192mm。

11、可选地，所述分裂导体环的层数范围为8-14。

12、可选地，所述导体柱的半径范围为1mm-3mm。

13、可选地，所述可调电容为数字可调电容。

14、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：

15、本发明提供的智能超材料结构，包括：介质衬底、导体结构、可调电容和动态调谐装置；所述导体结构为圆环柱体的导体；所述导体结构的侧面设置径向对称的缺口；所述可调电容设置在所述缺口内；所述导体结构和所述可调电容设置在所述介质衬底上；所述动态调谐装置与所述可调电容连接；所述动态调谐装置用于在磁共振设备成像扫描过程中对所述可调电容的电容值进行控制，能适用于重要身体器官、结构稳定、便于调谐、增益较好、可实现非线性、实时动态调谐。