用于超低场磁共振的超材料结构装置及其方法

本发明涉及一种核磁共振检测装置，具体涉及一种用于超低场磁共振检测的超材料结构装置及其方法。

背景技术：

1、低场强、轻量化的磁共振检测平台可以进一步推广磁共振的应用。在实现磁共振设备轻量化的方法中，减小磁体重量是降低磁共振仪器重量的最有效方式之一。然而，磁共振信号的信噪比与磁场强度的平方近似成正比，降低磁场降度将极大的牺牲磁共振信号信噪比，从而带来组织辨识分辨率下降、扫描时间长等缺陷。

2、超材料阵列结构可以引导射频磁通量到接收线圈，其应用可以增强特定频率的射频信号效率，并且通过耦合实现对接收线圈的调谐匹配，进一步提高磁共振信号采集的信噪比，并在一定程度上弥补磁场强度降低带来的低信噪比缺陷。

3、但是，目前应用于磁共振检测的超材料普遍应用于中高场，其原因在于超材料阵列的工作频率取决于超材料单元自身的电容、电感等物理性质，而常见的超材料结构的工作频率普遍大于60mhz，不适合用于工作频率更低的超低场磁共振检测，其中超低场磁共振的b0磁场强度通常小于0.1t，即工作频率小于4.2mhz。对此有必要对工作于低场乃至超低场下的超材料阵列进行研究。

技术实现思路

1、技术问题：本发明针对应用于磁共振超材料结构工作频率较高、安装与使用不便捷的问题，提出了一种可以工作于超低场磁共振中的超材料结构装置及方法，在提高射频场强度、降低工作频率的同时，达到装置小型化，简化安装流程、灵活使用的目的。

2、技术方案：

3、一种用于超低场磁共振的超材料单元的设计方法，通过提高既有超材料单元的总电感值和/或寄生电容值，或者直接增加既有超材料单元的电容值，以降低既有超材料单元的自谐振频率，使得优化后的超材料单元适用于超低场磁共振场合；既有超材料单元包括单元骨架以及绕制于单元骨架外侧所设置的螺旋管线槽中的外螺旋铜线圈。

4、优选地，通过在既有超材料单元内加入同轴设置的内单元，以降低既有超材料单元的自谐振频率；内单元包括内单元骨架以及绕制在内单元骨架的外侧所设置的螺旋管线槽中的内螺旋线圈；此时，优化后的超材料单元的自谐振频率满足：

5、

6、式中：l为外螺旋铜线圈的电感，c为外螺旋铜线圈的电容；lm为内、外螺旋铜线圈间的互感，cp为增加的寄生电容；

7、或者通过在既有超材料单元的外螺旋铜线圈的两端并联调谐pcb板(01c)，直接增加外螺旋铜线圈的电容值，以降低既有超材料单元的自谐振频率；此时，优化后的超材料单元的自谐振频率满足：

8、

9、式中：l为外螺旋铜线圈的电感，c为外螺旋铜线圈的电容；c1为通过调谐pcb板直接并联的电容值；

10、或者通过在既有超材料单元的单元骨架内同轴安装一采用高介电常数材料制成的高介电常数构件，以提高既有超材料单元的电容值，进而降低既有超材料单元的自谐振频率。

11、本发明的第二个技术目的是提供一种用于超低场磁共振的超材料结构装置，包括圆柱形超材料单元、超材料固定板、底板和线圈支架板；其中：

12、超材料固定板与线圈支架板相互平行地固定在底板上；

13、所述的圆柱形超材料单元包括单元骨架、外螺旋铜线圈以及调谐构件；外螺旋铜线圈绕制于单元骨架外侧所设置的螺旋管线槽中，调谐构件设置于单元骨架内，并能够与外螺旋铜线圈共振以降低外螺旋铜线圈的自谐振频率；

14、单元骨架固定在超材料固定板邻近线圈支架板设置的板面上，而平面线圈则固定在线圈支架板的外侧板面上。

15、优选地，所述调谐构件为调谐pcb板；调谐pcb板与外螺旋铜线圈相连并位于单元骨架内侧。

16、优选地，所述调谐pcb板设置有连接螺旋铜线圈的端口、调谐电容以及去耦二极管；其中，调谐电容用于调整圆柱形超材料单元的工作频率，去耦二极管用于耦合测试；螺旋铜线圈端口、调谐电容与去耦二极管均为并联连接。

17、优选地，所述的调谐构件为高介电常数构件；高介电常数构件为空心圆柱结构或实心圆柱塞；高介电常数构件由高介电常数材料制成并装在单元骨架内。

18、优选地，所述调谐构件包括内单元骨架以及内螺旋线圈；其中：内螺旋线圈绕制在内单元骨架的外侧所设置的螺旋管线槽中以形成内单元；内单元嵌套于外单元骨架中。

19、优选地，所述底板的一侧设置有超材料固定板插槽，另一侧则设置有支架板插槽；超材料固定板插槽与支架板插槽相互平行设置，且设置在底板上的支架板插槽至少有一条；

20、超材料固定板插接在超材料固定板插槽中，而线圈支架板则插接在支架板插槽中。

21、优选地，所述超材料固定板邻近线圈支架板的板面上设置有若干呈圆形状设置的超材料单元插槽，各超材料单元插槽呈矩形阵列分布；外单元骨架插接在超材料单元插槽中。

22、本发明的第三个技术目的是提供一种上述用于超低场磁共振的超材料结构装置的使用方法，包括如下步骤：

23、步骤一、分别装载圆柱形超材料单元以及平面线圈：

24、将预制的圆柱形超材料单元依次插入超材料固定板上所设置的超材料单元插槽中实现固定，以获得超材料单元阵列；

25、将平面线圈固定在线圈支架板上；

26、步骤二、组装用于超低场磁共振的超材料结构装置：

27、将装载有圆柱形超材料单元的超材料固定板插入底板上所设置的超材料固定板插槽中；

28、将装载有平面线圈的线圈支架板插入底板上所设置的任意一条支架板插槽中实现固定；底板上共设置有两条相互平行的支架板插槽；

29、步骤三、检测：

30、将步骤二所组装的超材料结构装置的平面线圈紧贴测试样品的位置进行检测；

31、步骤四、将线圈支架板插入底板上的另一条支架板插槽上，以调整超材料单元阵列与平面线圈之间的距离；然后再次进行步骤三所述的检测。

32、有益效果：

33、1.本发明结构简单，体积较小，使用与组装过程简洁便利，结构较为稳定，可以适应水平与垂直方向主磁场的磁共振检测，并且方便移动。

34、2.本发明采用3d打印制作线圈骨架、底板、固定板、支架板，采用铜线绕制螺线管线圈，制作简单，成本低廉，并且便于在实验中进行调试。

35、3.本发明提出了多种可选的超材料阵列单元设计方案，实现了超材料阵列的工作频率的有效降低，实现超材料阵列结构在超低场磁共振检测下对射频场的增强，并对线圈调谐匹配有辅助作用，一定程度提高线圈信噪比。

技术特征：

1.一种用于超低场磁共振的超材料单元的设计方法，其特征在于，通过提高既有超材料单元的总电感值和/或寄生电容值，或者直接增加既有超材料单元的电容值，以降低既有超材料单元的自谐振频率，使得优化后的超材料单元适用于超低场磁共振场合；既有超材料单元包括单元骨架（01a）以及绕制于单元骨架（01a）外侧所设置的螺旋管线槽中的外螺旋铜线圈（01b）。

2.根据权利要求1所述的用于超低场磁共振的超材料单元的设计方法，其特征在于，通过在既有超材料单元内加入同轴设置的内单元，以降低既有超材料单元的自谐振频率；内单元包括内单元骨架（01a2）以及绕制在内单元骨架（01a2）的外侧所设置的螺旋管线槽中的内螺旋线圈（01b2）；此时，优化后的超材料单元的自谐振频率满足：

3.一种用于超低场磁共振的超材料结构装置，其特征在于，包括圆柱形超材料单元（01）、超材料固定板（02）、底板（03）和线圈支架板（04）；其中：

4.如权利要求3所述的用于超低场磁共振的超材料结构装置，其特征在于，所述调谐构件为调谐pcb板（01c）；调谐pcb板（01c）与外螺旋铜线圈（01b）相连并位于单元骨架（01a）内侧。

5.如权利要求4所述的用于超低场磁共振的超材料结构装置，其特征在于，所述调谐pcb板（01c）设置有连接螺旋铜线圈（01b）的端口（01c1）、调谐电容（01c2）以及去耦二极管（01c3）；其中，调谐电容（01c2）用于调整圆柱形超材料单元（01）的工作频率，去耦二极管（01c3）用于耦合测试；螺旋铜线圈端口（01c1）、调谐电容（01c2）与去耦二极管（01c3）均为并联连接。

6.如权利要求3所述的用于超低场磁共振的超材料结构装置，其特征在于，所述的调谐构件为高介电常数构件；高介电常数构件为空心圆柱结构（01d）或实心圆柱塞；高介电常数构件由高介电常数材料制成并装在单元骨架（01a）内。

7.如权利要求3所述的用于超低场磁共振的超材料结构装置，其特征在于，所述调谐构件包括内单元骨架（01a2）以及内螺旋线圈（01b2）；其中：内螺旋线圈（01b2）绕制在内单元骨架（01a2）的外侧所设置的螺旋管线槽中以形成内单元；内单元嵌套于外单元骨架（01a1）中。

8.如权利要求1所述的用于超低场磁共振的超材料结构装置，其特征在于，所述底板（03）的一侧设置有超材料固定板插槽（03a），另一侧则设置有支架板插槽（03b）；超材料固定板插槽（03a）与支架板插槽（03b）相互平行设置，且设置在底板（03）上的支架板插槽（03b）至少有一条；

9.如权利要求1所述的用于超低场磁共振的超材料结构装置，其特征在于，所述超材料固定板（02）邻近线圈支架板（04）的板面上设置有若干呈圆形状设置的超材料单元插槽（02a），各超材料单元插槽（02a）呈矩形阵列分布；外单元骨架（01a1）插接在超材料单元插槽（02a）中。

10.一种权利要求3所述的用于超低场磁共振的超材料结构装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种用于超低场磁共振的超材料结构装置及其方法。所述的超材料结构装置中，所包括的超材料单元，通过提高既有超材料单元的总电感值和/或寄生电容值，或者直接增加既有超材料单元的电容值，以降低既有超材料单元的自谐振频率，使得优化后的超材料单元适用于超低场磁共振场合，即B<subgt;0</subgt;磁场强度小于0.1 T的场合；既有超材料单元包括单元骨架以及绕制于单元骨架外侧所设置的螺旋管线槽中的外螺旋铜线圈。由此可见，本发明在提高射频场强度、降低工作频率的同时，达到装置小型化，简化安装流程、灵活使用的目的。

技术研发人员：陆荣生,易红,宋子杰,倪中华
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11