[發(fā)明專利]一種超材料及MRI成像增強(qiáng)器件

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210050990.0
• 申請(qǐng)日: 2012-02-29
• 公開（公告）號(hào): CN103296446B
• 公開（公告）日: 2017-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉若鵬;趙治亞;郭潔;寇超鋒
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 深圳光啟創(chuàng)新技術(shù)有限公司
• 主分類號(hào): H01Q15/00
• 分類號(hào): H01Q15/00;H01P7/00;G01R33/56;A61B5/055
• 代理公司: 北京成創(chuàng)同維知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司11449
• 代理人: 蔡純,高青

【技術(shù)領(lǐng)域】

本發(fā)明涉及MRI成像技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說，涉及用于MRI成像的磁信號(hào)增強(qiáng)器件。

【背景技術(shù)】

核磁共振(MRI)成像系統(tǒng)的原理是利用線圈去檢測(cè)原子核自旋吸收和發(fā)射的無線電波脈沖能量，該線圈作為接收線圈，在有些時(shí)候還同時(shí)作為發(fā)射線圈。在無線電波脈沖能量的幫助下，核磁共振成像掃描儀可以定位患者體內(nèi)一個(gè)非常小的點(diǎn)，然后確定這是何種類型的組織。該點(diǎn)可能是一個(gè)邊長(zhǎng)只有半毫米的立方體。核磁共振成像系統(tǒng)會(huì)對(duì)患者身體進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，從而構(gòu)建組織類型的二維或者三維圖。之后，它將所有信息整合到一起，創(chuàng)建一個(gè)二維圖像或者三維模型。核磁共振成像系統(tǒng)中最大、同時(shí)也是最重要的部件就是磁體。核磁共振成像系統(tǒng)中的磁體采用名為特斯拉的單位來衡量。如今核磁共振成像設(shè)備中使用的磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度在0.5到2.0特斯拉(或5,000到20,000高斯)之間。每個(gè)核磁共振成像系統(tǒng)中都有另一種磁體，稱為梯度磁體。核磁共振成像機(jī)器中有三個(gè)梯度磁體。主磁體使患者身處一個(gè)穩(wěn)定、高強(qiáng)度的磁場(chǎng)中，而梯度磁體產(chǎn)生的是一個(gè)可變磁場(chǎng)。核磁共振成像系統(tǒng)的其余部分包括一個(gè)非常強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、一些在患者躺在掃描儀下時(shí)將RF(無線電頻率)脈沖發(fā)射到患者體內(nèi)的設(shè)備以及許多其他的輔助部件。在掃描儀的膛筒內(nèi)部，磁場(chǎng)直接通過放置患者的管道的中心。這意味著如果患者在掃描儀中仰臥，其體內(nèi)的氫原子的質(zhì)子將沿著腳部或者頭部方向排列。這些質(zhì)子中的絕大部分會(huì)彼此抵償——也就是說，對(duì)于每個(gè)沿著足部方向排列的質(zhì)子，都會(huì)有另一個(gè)質(zhì)子朝著頭部方向排列來抵償它。每一百萬個(gè)質(zhì)子中，只有幾個(gè)不會(huì)相互抵償。這聽起來并不多，但是僅體內(nèi)的氫原子數(shù)目就已經(jīng)足以描繪出高質(zhì)量的圖像了。

核磁共振成像機(jī)器采用特定于氫原子的無線電頻率脈沖。系統(tǒng)引導(dǎo)脈沖對(duì)準(zhǔn)所要檢查的身體區(qū)域，并導(dǎo)致該區(qū)域的質(zhì)子吸收使它們以不同方向旋轉(zhuǎn)或旋進(jìn)所需的能量。這是核磁共振成像裝置的“共振”部分。無線電頻率脈沖迫使它們(指每一百萬質(zhì)子中多余的一對(duì)或者兩對(duì)不匹配的質(zhì)子)在特定頻率下按照特定方向旋轉(zhuǎn)。引發(fā)共振的特定頻率被稱為拉摩爾頻率，該值是根據(jù)要成像的特定組織以及主磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算得出的。無線電頻率脈沖通常利用一個(gè)線圈來提供，該線圈稱為發(fā)射線圈。核磁共振成像機(jī)器針對(duì)身體的不同部位配有不同種類的線圈：膝部、肩部、腕部、頭部、頸部等等。這些線圈通常符合正在接受成像的身體部位的輪廓，或者至少在檢查期間與這些部位的距離很近。大約在同一時(shí)間，三個(gè)梯度磁體開始工作。在以某種特殊方式迅速打開和關(guān)閉梯度磁體時(shí)，它們?cè)谥鞔朋w中的排列組合使其可以在極小的局部范圍內(nèi)改變主磁場(chǎng)。這意味著我們可以精確選擇所要成像的區(qū)域，在核磁共振成像中稱之為“切片”。想像一下每片只有幾毫米厚的一塊面包——核磁共振成像中的切片也可以達(dá)到這樣的精度。我們可以從任何方向?qū)ι眢w的任何部位進(jìn)行“切片”，使核磁共振成像比其他成像技術(shù)更具優(yōu)勢(shì)。這也意味著無需移動(dòng)身體來使機(jī)器從另一個(gè)方向獲得圖像——機(jī)器可以利用梯度磁體完成各種工作。

當(dāng)關(guān)閉無線電頻率脈沖時(shí)，氫原子的質(zhì)子運(yùn)動(dòng)開始緩慢(相對(duì)而言)返回它們?cè)诖艌?chǎng)中的自然排列位置，并釋放所存儲(chǔ)的額外能量。在這個(gè)過程中，它們會(huì)釋放一個(gè)信號(hào)，然后線圈會(huì)捕獲該信號(hào)并發(fā)送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)接收到的是經(jīng)過轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通過傅立葉變換形成可以放到膠片上的圖形。這就是核磁共振成像系統(tǒng)的“成像”部分。

現(xiàn)有核磁共振成像設(shè)備的不足在于：接收線圈必須相當(dāng)近地接近待測(cè)部位，以獲取由待測(cè)部位釋放出來的磁信號(hào)，一方面給接收線圈的設(shè)計(jì)帶來不便，需要針對(duì)身體的不同部位設(shè)計(jì)不同種類的接收線圈，另一方面，增加了設(shè)備的制造成本。

超材料是指一些具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料。通過在材料的關(guān)鍵物理尺度上的結(jié)構(gòu)有序設(shè)計(jì)，可以突破某些表觀自然規(guī)律的限制，從而獲得超出自然界固有的普通性質(zhì)的超常材料功能。超材料的性質(zhì)和功能主要來自于其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)而非構(gòu)成它們的材料，因此，為設(shè)計(jì)和合成超材料，人們進(jìn)行了很多研究工作。2000年，加州大學(xué)的Smith等人指出周期性排列的金屬線和開環(huán)共振器(SRR)的復(fù)合結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)介電常數(shù)ε和磁導(dǎo)率μ同時(shí)為負(fù)的雙負(fù)材料，也稱左手材料。之后他們又通過在印刷電路板(PCB)上制作金屬線和SRR復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了二維的雙負(fù)材料。對(duì)于磁場(chǎng)具有響應(yīng)的金屬線和開環(huán)共振器結(jié)構(gòu)，通常稱之為磁性微結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)有超材料的人造微結(jié)構(gòu)的幾何形狀為工字形結(jié)構(gòu)或者凹字形開口諧振環(huán)結(jié)構(gòu)，但這結(jié)構(gòu)都不能實(shí)現(xiàn)磁導(dǎo)率μ明顯小于0，通常在0～-0.5之間。只有通過設(shè)計(jì)具有特殊幾何圖形的人造微結(jié)構(gòu)，才能使得該超材料在特定頻段內(nèi)達(dá)到磁導(dǎo)率μ值遠(yuǎn)小于0。

【發(fā)明內(nèi)容】