磁性超材料用于MRI應(yīng)用.pdf

1、超材料的主要顯著特征是可以人為設(shè)計材料來實現(xiàn)在天然材料中不存在的電磁性能。大約有兩大類的超材料，即共振型和非共振型。共振型超材料包含左手(LH)超材料，可看作折射率小于1的超材料。在共振型超材料中，倏逝波的周期性太小而不能在兩個相鄰的金屬導體元件之間散射。因此，它不是一個倏逝波散射現(xiàn)象，因為倏逝波本身不是共振的，但是在倏逝波的傳播路徑中存在金屬元件。倏逝波沿途感應(yīng)出振蕩電流，金屬元件變得自諧振，并輻射出很小的次級波。由導體元件產(chǎn)生的微小

2、次級波與施加的倏逝波相位相異，我們就可以得到某些有趣的響應(yīng)。這會修改外加的倏逝波。經(jīng)改變的倏逝波的周期是原倏逝波的波長的十分之一，導致類似于發(fā)生在原子尺度上的共振。非共振型超材料包含各向異性超材料，即雙曲超材料。非共振超材料的結(jié)構(gòu)周期則可以遠小于波長。對于非共振超材料，截止頻率是材料本身變得共振的頻率。與共振超材料相比，在非共振超材料中沒有電流振蕩，也不產(chǎn)生二次波。非共振超材料的性質(zhì)取決于應(yīng)用的電源技術(shù)。
　　設(shè)計超材料的主題是如

3、何獲得與組分材料不直接相關(guān)聯(lián)的性質(zhì)，以及構(gòu)造方法（即，金屬環(huán)、條，光子晶體等）。設(shè)計的構(gòu)造不同，超材料的等效參數(shù)不同。非共振超材料的顯著特點是其在寬帶技術(shù)上的潛在應(yīng)用。我們可以構(gòu)造結(jié)構(gòu)來修改施加的倏逝波，用于在非常高的頻率下工作的應(yīng)用。此外，非共振超材料具有很強的結(jié)構(gòu)容差性。然而，非共振超材料的缺點是它們不能實現(xiàn)很多神奇的特性，諸如左手材料，負折射率，零ε/μ超材料，這些都是共振超材料研究的重要組分。
　　為了為某些指定的應(yīng)用設(shè)計

4、超材料，我們需要知道所需的介電和磁響應(yīng)來尋找和加工材料。在每種材料中，電子云與擁有一定束縛電荷的核結(jié)合。在不施加電場的情況下，原子保持中性。一旦我們對材料施加電場，電子云被拉伸和移位，材料中的原子被極化，材料開始存儲電能。如果我們解除外加電場，那么電子云回復到它們的中性位置后，會像彈簧上的質(zhì)量塊一樣來回振蕩。結(jié)果，振蕩的電子輻射出微小的二次波，與所施加的波異相疊加。這種效應(yīng)是我們所說的材料的電介質(zhì)響應(yīng)。類似地，我們有材料的磁響應(yīng)。這里，

5、電子運動受到限制，趨向于繞核運動，像圍繞太陽運行的行星一樣。我們知道環(huán)行的電荷在該環(huán)路的中心感應(yīng)出磁場，后者可以等效為一個小的磁偶極子。如果我們對該磁偶極子施加磁場，則結(jié)果是該磁偶極子在所施加磁場的方向上自對準。這導致磁能存儲在該材料中。類似于電場，如果我們解除外加磁場，則對準的磁偶極子再次散開，沿不同方向傾斜，并變得諧振起來。此外，這些磁偶極子在回復后會來回振蕩，并且產(chǎn)生與所施加的磁場異相組合的次級波，產(chǎn)生整體減速響應(yīng)，我們稱之為材料

6、的磁響應(yīng)。
　　經(jīng)過以上關(guān)于材料的電介質(zhì)響應(yīng)和磁響應(yīng)的討論，我們通過擬合洛倫茲振蕩模型來設(shè)計和制造超材料。該模型來源于電子的運動方程，以洛倫茲參數(shù)的形式描述材料的介電性質(zhì)和磁性質(zhì)。這些參數(shù)包括材料的等離子體頻率（開關(guān)頻率），用于描述信號（外加電磁波）損耗的阻尼因子，和諧振頻率（回復力）。利用這些參數(shù)繪圖，可以恢復材料的相對介電常數(shù)和磁導率的實部和虛部，用于分析其在工作頻率下所需諧振行為對應(yīng)的洛侖茲響應(yīng)?？梢杂^察到，當倏逝波通過它時

7、，材料的回復力恢復了入射波的幅值。若忽略所速洛倫茲振蕩模型中的回復力，將導致材料中電子的自由運動，在等離子體頻率以下會得到非常負的介電常數(shù)。即，在材料中不存在回復力的情況下，其大虛部、強損耗將使得通過的倏逝波無法復原入射時的幅值。
　　在不對人體做任何手術(shù)探查的條件下，研究人類病理和獲得解剖圖像是可能的。這得益于磁共振成像(MRI)技術(shù)。MRI是表征人體生理和神經(jīng)化學的基石技術(shù)。在臨床試驗階段，人類疾病的研究和治療伴隨著對不同動物

8、的解剖學的醫(yī)學研究。通過對動物解剖模型采用不同的成像技術(shù)，我們能夠?qū)δＰ筒蛔鋈魏问中g(shù)探查而采集到額外的圖像。這促生了不同于手術(shù)侵入的非侵入式技術(shù)，并且開啟了更準確地研究人類病理的可能性。
　　MRI掃描儀的工作原理是，質(zhì)子在外磁場作用下自旋能級發(fā)生塞曼分裂，共振吸收特定頻率的射頻輻射。在拉莫爾頻率，原子的質(zhì)子從基態(tài)受擾動并吸收能量。能量的吸收取決于MRI掃描器外部靜磁場(B0)的強度和旋磁比。質(zhì)子的自旋被分解在兩個方向。其一為縱向

9、磁化，質(zhì)子被靜態(tài)場(B0)極化，對應(yīng)自旋焓(T1);其二為橫向磁化，橫向瞬態(tài)脈沖磁場(B1)會將質(zhì)子自旋翻轉(zhuǎn)90°，后者在脈沖結(jié)束后逐漸弛豫到與靜磁場對齊的狀態(tài)，并在MRI掃描線圈的接收器處產(chǎn)生弛豫信號，對應(yīng)自旋熵(T2)。MRI掃描儀的成像能力根據(jù)其轉(zhuǎn)換速率，上升時間，平頂，視場，自旋包，回波間隔，回波時間，接收時間和GRE序列來評定和分析。
　　超材料的應(yīng)用領(lǐng)域之一是MRI。理論和實驗證明超材料可以改善圖像分辨率、圖像采集時間

10、和人體內(nèi)部的圖像質(zhì)量。人們設(shè)計出了用于MRI成像的超材料透鏡，利用的是諸如電容性負載裂環(huán)諧振器(CLSRR)、邊緣/寬邊耦合裂環(huán)諧振器(EC/BC-SRR)、磁感應(yīng)(MI)波導、用于內(nèi)窺鏡檢查的金屬陣列特異材料。主要思想是增強體內(nèi)感興趣區(qū)域(ROI)的磁場強度和SNR。它取決于B1，后者主要由MRI系統(tǒng)的發(fā)射/接收MR線圈控制。B1擾動處于平衡態(tài)的ROI區(qū)的質(zhì)子，并在接收端MR線圈得到圖像數(shù)據(jù)?？茖W家曾引入過表面線圈/體線圈，諧振器和多

11、發(fā)射/接收天線陣列的復雜布置，以減少SAR（特定吸收率）與信號損耗并增加磁場的均勻性。但提出的這些想法設(shè)計復雜，對應(yīng)的實現(xiàn)方案很昂貴。我們?yōu)镸RI掃描儀設(shè)計的超材料包含在以下的具體項目中:
　　(a)用于增強0.35-T MRI系統(tǒng)的圖像質(zhì)量的緊湊/薄的超材料(MM)透鏡。透鏡結(jié)構(gòu)基于厚度僅為2.5mm——對應(yīng)于結(jié)構(gòu)的邊長——的裂環(huán)諧振器(SRR)的三維陣列。除SRR，引入?yún)?shù)元件（電容,電感），實現(xiàn)了0.35-T MRI系統(tǒng)在1

12、4.88MHz這一非常低的工作頻率下所需的諧振。實現(xiàn)了人體內(nèi)磁場(B)和SNR（信噪比）的諧振增強和MR（磁共振）線圈效率的提高。
　　(b)用于1.5-T MRI系統(tǒng)中的零磁導率(μ=0)裂環(huán)共振型(SRR)磁反射超材料(MM)，其可以扭曲和抑制均勻的RF（射頻）磁場。該設(shè)計由包含參數(shù)元件（電容，電感）的PCB（印刷電路板）組成并且附接有SRR，總厚度僅為5mm。當反射器在優(yōu)化位置與MRI掃描器一起使用時，將均勻地重新分布和增強

13、靜態(tài)磁場，同時通過改善體內(nèi)掃描區(qū)域處的SNR（信噪比）以保持低的特異吸收率(SAR)、低的電場和功率耗散，來防止人體組織的加熱并且顯著降低人體組織因吸收RF能量而導致的損傷效應(yīng)。
　　(c)可用于增強1.5-T MRI系統(tǒng)圖像質(zhì)量的緊湊/薄的寬邊耦合(BC)裂環(huán)諧振型(SRR)超材料(MM)透鏡。我們分析了兩個強耦合的BC-SRR銅陣列，它們連接在PCB（印刷電路板）上，并加載參數(shù)元件（電容和電感）。設(shè)計的重點是其緊湊的厚度，僅3

14、.2mm。它在不同工作頻率下的可調(diào)諧性則得益于參數(shù)元件。相比前人的工作，它對MR線圈的設(shè)計沒有限制。組合使用參數(shù)元件、銅環(huán)和SRR的技術(shù)，之前并沒有被用在如此低的工作頻率上。此外，設(shè)計的透鏡改善了BC-SRR陣列之間的互感，并且最終恢復了在所考慮區(qū)域處磁場(B)的幅度，提高了圖像質(zhì)量。
　　(d)可用作雜化磁性超材料帽(HMMH)的多重圓雜化表面線圈的獨特組合。HMMH不僅加強了其繞軸線的射頻（RF）旋轉(zhuǎn)對稱性的均勻性，而且改善了

15、7-T MRI系統(tǒng)對鼠腦成像的信噪比(SNR)。我們分析了連接在圓線圈形印刷電路板(PCB)基板上的強耦合圓形銅線圈的周期性陣列。在該設(shè)計中，一些銅線圈受到裝載有參數(shù)元件（電容和電感）的槽腔的激發(fā)。此外，HMMH形式的線圈利用混合模式的優(yōu)點，通過同時激發(fā)兩個特征模式，能在ROI處產(chǎn)生出均勻磁場和增強的SNRc與單環(huán)RF線圈相比，其向感興趣區(qū)域(ROI)呈現(xiàn)更好和更深的RF靈敏度。
　　(e)用作可調(diào)諧雜化磁性超材料帽(THMMH)

16、的多重圓雜化表面銅線圈的獨特組合。在THMMH中，一些線圈受到裝載有參數(shù)元件（電容）的槽腔和正弦穩(wěn)態(tài)電流源(IS)并行合并器的激發(fā)，后者由外部施加。我們介紹了IS的意義，即改變了納米尺度上的力平衡:通過將安培力引入設(shè)計的電路，改變了其光學性能，最終產(chǎn)生了可調(diào)諧、可重構(gòu)的磁性超材料帽。此外，對于7-T MRI這一應(yīng)用，我們進行了THMMH和不可調(diào)HMMH對鼠腦在300MHz成像的效率比較。我們觀察到THMMH不僅同樣加強了其繞軸的射頻(R