[发明专利]用于磁共振回波信号增强的超材料动态调谐系统及方法

说明书

本发明涉及一种用于磁共振回波信号增强的超材料动态调谐系统及方法，包括：由至少一个结构单元构成的超材料、磁共振设备的发射线圈、磁共振设备的接收线圈、动态调谐装置和矢量网络分析仪。本发明能够使超材料在使用过程中保持在最佳的共振模态下，即共振频率和拉莫尔频率一致，从而实现最高的成像信噪比增益。

技术领域

本发明属于磁共振成像技术领域，涉及一种超材料动态调谐系统及方法，尤其是一种用于磁共振回波信号增强的超材料动态调谐系统及方法。

背景技术

磁共振成像是一种非侵入式的医学影像检查技术，与其他非侵入式医学成像技术(如计算机断层扫描、X光片、超声)相比，兼具无放射性、可三维成像、空间分辨率高、软组织对比度高等优点。磁共振成像设备的一个关键性能指标是其成像质量，因此，如何提高成像质量一直是磁共振成像设备发展过程中的研究重点。

影像磁共振成像质量的一个关键因素是扫描时获取回波信号的信噪比，更高的信噪比可以获得更佳的成像质量。随着超材料(Metamaterial)的不断发展，近年来，有相关研究开始尝试将其应用于磁共振成像回波信号的增强，并取得了一定效果。

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。未使用超材料时，体线圈无法接收到成像区域内的被成像的手掌的信号，在手掌下垫上该超材料后，使得体线圈成功接收到了原本无法接收到的信号。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，该成果首次利用超材料配合表面线圈进行接收，通过负折射率的信号透镜对射频回波信号聚焦，使接收信号的信噪比提升了约60％，信噪比的提升较低。2016年Slobozhanyuk等人设计出了一种配合高介电常数介质的超材料，该成果将金属导线周期排列成一个二层的平面，然后置于高介电常数的溶液中构成回路。成像时，超材料表面成像区域的磁场被提高了约2.5倍。在该成果的基础上，Shchelokova等人于2018年设计了一种可调谐的超材料。将金属导线替换为两层嵌套可伸缩的金属管，金属管可以伸缩到合适长度后再置于溶液中，从而可以在使用过程中被调谐到不同的共振模态，实现更好的增益效果，然而这种结构无法在成像过程中动态调谐。2019年Zhao X等人提出了一种基于螺线结构单元的超材料，该成果通过在超材料中引入一个谐振环，实现了超材料的非线性增益效果，在射频信号的发射阶段，可以自动抑制超材料对信号的增益，在接收阶段，又能自动恢复超材料对信号的增益，使超材料表面区域的SNR变为之前的10～15倍，该设计更符合磁共振成像的使用场景。

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。郑海荣等人发明了一种提高多通道射频线圈性能的方法[CN105572612A]，通过采集多通道射频线圈各个通道噪声并计算得到其噪声耦合矩阵，并在图像重建时采用噪声耦合矩阵补偿多通道射频线圈的耦合恶化，从而在多通道射频线圈加入磁性超材料时实现提升多通道射频线圈性能的目的，提高图像的信噪比。A·P·斯洛博占亚克等人发明了磁共振成像机[CN107835658A]，藉由被用作由一组有利地定向的导体制成的电磁场放大器的超材料，在空间上重新安排以射频工作的磁场和电场，在待检查对象的区域中，射频磁场被谐振地放大，使得磁共振成像中的信噪比增加。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。

综上所述，目前的科研成果主要局限在对超材料结构上，少数成果对可调谐性与非线性等特性进行了探索，还未有磁共振增强用超材料动态调谐的科研成果。在实际应用中，复杂的应用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，所以这些无法动态调谐的超材料在实际应用中尚有不足。