[发明专利]一种应用于高场磁共振射频线圈的超材料设计方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及电磁超材料领域，尤其涉及一种应用于高场磁共振射频线圈的超材料设计方法。

背景技术

磁共振系统主要包括磁体、谱仪、梯度系统、射频系统、图像重建系统等。射频系统主要是通过射频线圈来激发和采集磁共振信号。射频线圈的性能直接影响最终图像的质量。随着科技的发展以及越来越多的学科交叉和融合，不同领域的研究成果相结合逐步成为一种趋势。超材料是一种具有超自然电磁属性的人工复合电磁材料，由单元结构周期分布构成。超材料在射频领域的应用，特别是磁共振射频线圈的应用引起了研究者的兴趣。当电磁波入射时，在超材料结构中形成等效的LC谐振回路，从而通过磁谐振来实现对电磁波的控制和束缚，实现对磁共振射频场的增强等效果，获得更清晰的成像结果。由于高场(3T、7T)磁共振成像环境的要求，超材料的制作材料要求是无磁性，价格比较昂贵。为了达到设计要求，一般都要反复测试和制作。

在磁共振领域，射频线圈和超材料的工作频率带宽均属于窄带，设计的超材料工作频率必须非常靠近磁共振的工作频率，即二者不能偏差太大，目前用于天线的超材料设计方法仅对超材料单元结构进行仿真，然而实际在磁共振线圈应用的超材料是由多个周期的小尺寸超材料单元组成，并且由于超材料单元之间具有耦合效应，这种耦合使超材料单元之间相互影响，往往造成仿真的参数与实际制作的超材料参数相差过大，给设计过程带来不确定性和困难，这种方法虽然在用于天线的超材料设计中广泛使用，但在磁共振射频线圈领域的实用性大大降低。

名称为“一种超材料及超材料设计方法”，申请号为CN201210470377.4的中国专利公开了一种超材料，其包括：至少一层基材以及设置于每层基材表面的多个人造微结构；所述超材料包括多个电磁区域，入射至每一电磁区域内的电磁波具有一种或多种电磁参数范围；每一电磁区域内的人造微结构对入射至该电磁区域的电磁波产生预设的电磁响应。该专利虽然能够简化超材料设计并能扩宽超材料适用范围，但在性能以及成本效益方面仍然存在不足。

有鉴于此，需要开发一种新的技术来克服这些缺陷。

发明内容

针对上述现有技术的不足，为了使得设计的超材料更为准确、实用，本发明提供了一种应用于高场磁共振射频线圈的超材料设计方法。

本发明所提供的应用于高场磁共振射频线圈的超材料设计方法可以包括以下步骤：(1)超材料周期结构的电磁场仿真，使用电磁场仿真软件对超材料周期结构进行结构设计，使所述超材料的S参数达到磁共振工作频率；(2)等效磁导率的提取，根据仿真的S₂₁参数结果，提取所述超材料的等效磁导率；以及(3)所述超材料的实物制作，制作所设计的所述超材料。

所述的应用于高场磁共振射频线圈的超材料设计方法还可以包括以下步骤：对超材料周期结构建模，并进行电磁场仿真的参数设置；对超材料周期结构进行仿真，调整谐振频率至磁共振工作频率；导出仿真的S₂₁参数，通过计算提取所述等效磁导率；以及对制作完成的所述超材料进行S₂₁参数测量，并与仿真的S₂₁结果对比。

在一实施方案中，所述超材料的等效磁导率为负，所述超材料周期结构优选为9×9个单元组成的矩形阵列。

在一实施方案中，所述的应用于高场磁共振射频线圈的超材料设计方法还可以包括以下步骤：根据对比的结果确定是否需要对一些参数进行调整，如果是，则调整相应的参数，并重复各个步骤，直至所述对比的结果满足预期的要求。

在一实施方案中，所述应用于高场磁共振射频线圈的超材料设计方法还可以包括：使用时域求解器进行仿真计算，其中仿真时间设置为使能量收敛至预定的仿真精度。

在一实施方案中，所述应用于高场磁共振射频线圈的超材料设计方法还可以包括：由仿真软件导出超材料仿真的S₂₁参数的数据，使用Smith法经Matlab程序代码计算，从而得出每一个频点的等效磁导率，以此观察设计的超材料是否满足负磁导率。

在一实施方案中，所述应用于高场磁共振射频线圈的超材料设计方法还可以包括：使用网络分析仪对超材料的S₂₁参数进行测量，以此观察超材料的工作频率是否在所需的频带上。

在一实施方案中，所述应用于高场磁共振射频线圈的超材料设计方法还可以包括：使用CPU和GPU加速卡计算，并使用印制电路板制作工艺所设计的所述超材料。