[發明專利]一種應用于高場磁共振射頻線圈的超材料設計方法

在審

• 申請號: 201710181770.4
• 申請日: 2017-03-24
• 公開（公告）號: CN106997412A
• 公開（公告）日: 2017-08-01
• 發明（設計）人: 李燁;羅超;李柔;胡小情;劉新
• 申請（專利權）人: 中國科學院深圳先進技術研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G01R33/34
• 代理公司: 上海勝康律師事務所31263
• 代理人: 李獻忠,張靜

技術領域

本發明總體上涉及電磁超材料領域，尤其涉及一種應用于高場磁共振射頻線圈的超材料設計方法。

背景技術

磁共振系統主要包括磁體、譜儀、梯度系統、射頻系統、圖像重建系統等。射頻系統主要是通過射頻線圈來激發和采集磁共振信號。射頻線圈的性能直接影響最終圖像的質量。隨著科技的發展以及越來越多的學科交叉和融合，不同領域的研究成果相結合逐步成為一種趨勢。超材料是一種具有超自然電磁屬性的人工復合電磁材料，由單元結構周期分布構成。超材料在射頻領域的應用，特別是磁共振射頻線圈的應用引起了研究者的興趣。當電磁波入射時，在超材料結構中形成等效的LC諧振回路，從而通過磁諧振來實現對電磁波的控制和束縛，實現對磁共振射頻場的增強等效果，獲得更清晰的成像結果。由于高場(3T、7T)磁共振成像環境的要求，超材料的制作材料要求是無磁性，價格比較昂貴。為了達到設計要求，一般都要反復測試和制作。

在磁共振領域，射頻線圈和超材料的工作頻率帶寬均屬于窄帶，設計的超材料工作頻率必須非?？拷殴舱竦墓ぷ黝l率，即二者不能偏差太大，目前用于天線的超材料設計方法僅對超材料單元結構進行仿真，然而實際在磁共振線圈應用的超材料是由多個周期的小尺寸超材料單元組成，并且由于超材料單元之間具有耦合效應，這種耦合使超材料單元之間相互影響，往往造成仿真的參數與實際制作的超材料參數相差過大，給設計過程帶來不確定性和困難，這種方法雖然在用于天線的超材料設計中廣泛使用，但在磁共振射頻線圈領域的實用性大大降低。

名稱為“一種超材料及超材料設計方法”，申請號為CN201210470377.4的中國專利公開了一種超材料，其包括：至少一層基材以及設置于每層基材表面的多個人造微結構；所述超材料包括多個電磁區域，入射至每一電磁區域內的電磁波具有一種或多種電磁參數范圍；每一電磁區域內的人造微結構對入射至該電磁區域的電磁波產生預設的電磁響應。該專利雖然能夠簡化超材料設計并能擴寬超材料適用范圍，但在性能以及成本效益方面仍然存在不足。

有鑒于此，需要開發一種新的技術來克服這些缺陷。

發明內容

針對上述現有技術的不足，為了使得設計的超材料更為準確、實用，本發明提供了一種應用于高場磁共振射頻線圈的超材料設計方法。

本發明所提供的應用于高場磁共振射頻線圈的超材料設計方法可以包括以下步驟：(1)超材料周期結構的電磁場仿真，使用電磁場仿真軟件對超材料周期結構進行結構設計，使所述超材料的S參數達到磁共振工作頻率；(2)等效磁導率的提取，根據仿真的S₂₁參數結果，提取所述超材料的等效磁導率；以及(3)所述超材料的實物制作，制作所設計的所述超材料。

所述的應用于高場磁共振射頻線圈的超材料設計方法還可以包括以下步驟：對超材料周期結構建模，并進行電磁場仿真的參數設置；對超材料周期結構進行仿真，調整諧振頻率至磁共振工作頻率；導出仿真的S₂₁參數，通過計算提取所述等效磁導率；以及對制作完成的所述超材料進行S₂₁參數測量，并與仿真的S₂₁結果對比。

在一實施方案中，所述超材料的等效磁導率為負，所述超材料周期結構優選為9×9個單元組成的矩形陣列。

在一實施方案中，所述的應用于高場磁共振射頻線圈的超材料設計方法還可以包括以下步驟：根據對比的結果確定是否需要對一些參數進行調整，如果是，則調整相應的參數，并重復各個步驟，直至所述對比的結果滿足預期的要求。

在一實施方案中，所述應用于高場磁共振射頻線圈的超材料設計方法還可以包括：使用時域求解器進行仿真計算，其中仿真時間設置為使能量收斂至預定的仿真精度。

在一實施方案中，所述應用于高場磁共振射頻線圈的超材料設計方法還可以包括：由仿真軟件導出超材料仿真的S₂₁參數的數據，使用Smith法經Matlab程序代碼計算，從而得出每一個頻點的等效磁導率，以此觀察設計的超材料是否滿足負磁導率。

在一實施方案中，所述應用于高場磁共振射頻線圈的超材料設計方法還可以包括：使用網絡分析儀對超材料的S₂₁參數進行測量，以此觀察超材料的工作頻率是否在所需的頻帶上。

在一實施方案中，所述應用于高場磁共振射頻線圈的超材料設計方法還可以包括：使用CPU和GPU加速卡計算，并使用印制電路板制作工藝所設計的所述超材料。