CN102150222A - 用于限定用于成像体积的磁场的磁组件和方法 - Google Patents

Abstract

在此公开了一种磁组件，所述磁组件包括至少两个磁体，它们以彼此固定的间隔关系进行布置，从而在磁体之间限定包含成像体积的空间。磁体中的每一个在其向内的表面上产生多个磁场强度，该多个磁场强度以组合的方式所述成像体积内产生可接受地均匀的磁场。还公开了一种限定用于成像体积的磁场的方法。所述方法包括：产生磁组件的初始模型；基于模型来估计用于成像体积的磁场；计算估计的磁场和用于成像体积的目标磁场之间的偏差；以及通过修改磁组件以产生多个磁场强度来更新模型以减少偏差，多个磁场强度以组合的方式基本上产生成像体积中的目标磁场。

Description

用于限定用于成像体积的磁场的磁组件和方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35 U.S.C.119(e)要求在2008年6月24日提交的美国临时专利申请No.61/129,412的优先权，其内容通过引用被包含在此。

技术领域

本发明总体上涉及具有预定的特别期望的特性的磁场，更具体地涉及用于限定用于成像体积的磁场的磁组件和方法。

背景技术

磁共振成像(或MRI)是公知的成像技术，其间，诸如病人的对象被置于MRI机器内，并且承受由在MRI机器内容纳的极化磁体产生的均匀磁场。由在MRI机器内容纳的RF线圈产生的射频(RF)脉冲用于扫描病人的目标组织。在连续的RF脉冲之间的间隔中通过目标组织中受激励的原子核来辐射MRI信号，并且通过RF线圈来感测MRI信号。在MRI信号感测期间，精细地控制的磁场梯度被迅速地转换以改变局部区域的均匀的磁场，从而允许由选择的目标组织的切片辐射的MRI信号的空间局域化。继而使用多种已知技术之一来数字化和处理所感测的MRI信号，以重建目标组织切片的图像。

在能够执行MRI的系统中，需要强的均匀静态磁场，以便在特定的成像体积内对齐对象的核自旋。这个均匀的静态磁场通常由永久或线圈磁组件产生，并且在成像体积内具有大约0.1至4.7特斯拉的磁场强度。在感测期间，在成像体积中施加的精细控制的磁场梯度允许不同位置的核自旋之间的区分。然而，在图像获取期间，成像体积内的静态磁场中的不均匀与磁场梯度密不可分，并且直接地导致获得的图像中的几何失真。当MRI系统要与依赖于获取的图像的几何精度的另一个过程(诸如但不限于放射治疗)结合使用时，这些失真特别有害。因此，大大地降低静态磁场不均匀性极其重要，以便获得高质量的并且具有高的几何精度的图像。例如，当不均匀性的水平大约为成像体积内的10ppm时，能够实现可接受的图像质量。

已知使用诸如无源匀场的技术来减小轴对称和非轴对称的静态磁场不均匀性。在制造了磁组件后执行无源匀场，并且无源匀场包含：在策略上将额外的磁材料布置到成像体积之内和周围。额外的磁材料通常具有各种形状，包括环、环段、柱和棱柱。虽然在一些应用中匀场在限制在成像体积中的不均匀方面有效，但是其效果受到在制造后存在初始场不均匀的程度的限制。因此，在磁组件的设计上存在较大的约束，并且该约束是由于正在检查的对象要求在磁组件内保持适当大和可进入的空间而导致的。

通过改善制造的磁组件的设计以便减少固有的轴对称场不均匀性已经进行了避免无源匀场技术的限制的尝试。在双平面磁体的现有技术中，形成磁极的相对表面的等高线使得磁极的形状为围绕通常向相对的磁极表面延伸的轴轴对称。例如，最常见的这样的磁极设计已知为玫瑰环设计，其中最接近成像体积的磁极的表面完全平坦，除了沿着所述磁极表面的周围布置的磁材料的环之外。更具体地，沿着轴的磁极表面的轴距离与距离该轴的径向距离的图形是零斜率的线，并且在玫瑰环的径向位置具有单个垂直台阶。

在美国专利No.5,539,366中公开的一种磁组件设计由轴对称形状的磁极构成，对于轴对称形状的磁极而言，沿着轴的磁极表面的轴距离与距离轴的径向距离的图形是分段线性曲线，或是存在两个符号反转的具有连续斜率的非线性曲线。这两种设计的限制在于：位于距离轴相同径向距离的磁极的表面区域上的点也位于沿着轴的共同的轴距离上，因此，在匀场之前仅能够减小轴对称的磁场不均匀。而且，这些系统巨大，并且是不可移动的，因为磁极尺寸必要很大，因此不适合于相对于被检查的主体的移动。

其他对象和/或装置常常位于MRI装置附近。例如，在Fallone等的PCT专利申请公布WO 2007/045076 A1中描述了集成的外部波束放射治疗和MRI系统，其内容通过引用整体包含在此，其中，线性加速器(linac)耦合到MRI设备以提供同时的成像和治疗。不幸的是，现有技术的磁组件设计没有涉及下述效果：在磁组件内或磁组件附近包括对象或额外的治疗或诊断装置，同时提供具有特定的磁场的可接受地均匀成像体积和/或其他体积，并且确保磁组件的大小是可管理的。这样的额外的装置的操作会受到它们的位置处的磁场的存在和/或特性的影响，并且本身会改变成像体积中的磁场的特性。而且，在磁组件之内或附近包含这样的对象或装置可能要求磁组件中的特定体积的自由空间，诸如穿过磁体结构的大孔，用于布置对象或装置或用于提供对象或装置本身的性能方面的益处。例如，可能有益的是，将由磁组件产生的磁场与在线性加速器波导内的电子(或由用于质子治疗的线性加速器产生的质子)的方向对齐以用于图像引导的放射治疗，特别是减小病人放射剂量中的后续的扰动。通常，这样的空出的体积大大影响了由磁组件产生的磁场，并且导致成像体积中的高度不均匀磁场。

因此，本发明的目的是提供用于限定成像体积的磁场的磁组件和方法，其减轻或消除现有技术的上述缺点的至少一个。

发明内容

根据一个方面，提供了一种磁组件，包括：

至少两个磁体，其以彼此固定的间隔关系进行布置，从而在所述磁体之间限定包含成像体积的空间，所述磁体中的每一个在其向内的表面上产生多个磁场强度，所述多个磁场强度以组合的方式产生所述成像体积内的基本上均匀的磁场。

所述磁体的向内的表面上的多个磁场使得能够在不需要使用很大的磁体的情况下产生对于在成像体积内成像来说是可接受的基本上均匀的磁场，并且所述基本上均匀的磁场具有足够的大小。因此，所述磁体的向内的表面上的多个磁场的产生提供了对于给定的成像体积使能更紧凑的磁组件的构造。

根据另一个方面，提供了一种磁共振成像(MRI)装置，包括：

如上所述的磁组件；以及

检测器，其检测当在扰动后重新与基本上均匀的磁场对齐时由在所述成像体积内的质子发射的射频信号，其中成像基于检测的射频信号。

根据另一个方面，提供了一种限定用于成像体积的磁场的方法，所述方法包括：

产生磁组件的初始模型；

基于模型来估计用于成像体积的磁场；

计算估计的磁场和用于成像体积的目标磁场之间的偏差；以及

通过修改磁组件以产生多个磁场强度来更新模型以减少偏差，多个磁场强度以组合的方式基本上产生目标磁场。

在一个实施例中，目标磁场是可接受地均匀的磁场，初始模型基于指定磁组件的参数，并且修改包括：修改表示磁组件的两个磁体的一个或两个向内的表面的表面几何形状的一个或多个参数。

根据另一个方面，提供了一种计算机可读介质，其上具有计算机可读程序，用于限定成像体积的磁场，所述计算机程序包括：

产生磁组件的初始模型的计算机程序代码；

基于模型来估计用于成像体积的磁场的计算机程序代码；

计算估计的磁场和用于成像体积的目标磁场之间的偏差的计算机程序代码；以及

通过修改磁组件以产生多个磁场强度来更新模型以减少偏差的计算机程序代码，多个磁场强度以组合的方式基本上产生成像体积中的目标磁场。

根据另一个方面，提供了一种磁组件，包括：

至少两个磁体，其被以彼此固定的间隔关系进行布置，从而在其间限定空间，磁体中的每一个在其向内的表面上产生多个磁场强度，所述多个磁场强度以组合的方式产生目标体积内的目标磁场。

根据另一个方面，提供了一种限定用于目标体积的磁场的方法，所述方法包括：

产生磁组件的初始模型；

基于模型来估计用于目标体积的磁场；

计算估计的磁场和用于目标体积的目标磁场之间的偏差；以及

通过修改磁组件以产生多个磁场强度来更新模型以减少偏差，所述多个磁场强度以组合的方式基本上产生目标体积中的目标磁场。

根据另一个方面，提供了一种计算机可读介质，包含用于限定用于目标体积的磁场的计算机程序，所述计算机程序包括：

产生磁组件的初始模型的计算机程序代码；

基于模型来估计用于目标体积的磁场的计算机程序代码；

计算估计的磁场和用于目标体积的目标磁场之间的偏差的计算机程序代码；以及

通过修改磁组件以产生多个磁场强度来更新模型以减少偏差的计算机程序代码，所述多个磁场强度以组合的方式基本上产生目标体积中的目标磁场。

在此描述的方法能够被应用到用于在医疗应用中，特别是包含磁共振成像(MRI)的医疗应用中使用的磁组件的基于计算机的设计，在磁共振成像中将采用双平面磁体构造(例如，亥姆霍兹型)。这样的双平面磁组件包括具有隔开的第一和第二磁极的磁组件，并且该第一和第二磁极具有通常相对的第一和第二磁极面，所述具有隔开的第一和第二磁极的磁组件诸如但是不限于C形磁体、两柱磁体或四柱磁体。在这样的应用中，所述方法可以用于产生下述磁组件，该磁组件通过减少轴对称和/或非轴对称磁场不均匀而在特定的成像体积中产生基本上均匀的磁场。更一般地，在此描述的方法可以用于在可能受到磁场的存在和/或特性的影响的其中放置额外的对象或装置的磁组件之内或附近的特定区域中产生具有特别想要的特性的磁场。这样的对象或装置可以是X射线管、医疗线性加速器波导(linac)、平板成像器、核医疗或超声波成像器或其他装置。这样的装置可以位于在两个磁极之间的开放空间的端部。在此描述的方法也适用于用于磁组件的成像体积中的磁场的定义，该成像体积包括中心或任何位置处的一个磁极或两个磁极中的开口，用于将任何装置定位在该位置。这样的布置可以被提供用于设计或操作的优点，诸如尺寸的减小和/或减小集成有成像系统和/或产生特定的磁场的治疗系统中的病人剂量中的干扰。例如，一种具体的构造是将线性加速器(linac)定位在磁结构内的位置，其中，波导内的电子或由它们产生的质子的方向与由磁体产生的磁场平行，因此减少了病人辐射剂量中的随后的干扰。

在此公开的方法的另一个益处是其适用于多种用途。例如，虽然在许多应用中期望成像体积中的基本上均匀的磁场，但是在特定的应用中，成像体积中的磁场可以期望为例如具有特定的期望梯度的基本上不均匀的磁场。更一般地，本发明可以用于限定并不用于成像的体积中的磁场。例如，可以期望限定用于体积的磁场，其用于定向/引导/改变电子或质子的路径，诸如当前使用偏转磁体实现的那样。

在此描述的磁组件和方法可以被应用在集成外部束放射治疗的系统和MRI系统，并且甚至可应用于被构造为用于在旋转模式中使用的这样的系统，诸如在Fallone等的PCT专利申请公布No.WO 2007/045076 A1和WO 2007/045075 A1中描述的系统，这些专利申请中的每一个的内容通过引用被整体包含在此。

附图说明

现在参考附图更完全地描述实施例，其中：

图1是根据一个实施例的开放紧凑磁组件的透视图；

图2是本发明的开放紧凑磁组件的截面图，其包括磁极组件表面和表示磁极组件表面上的位置的可变设计参数的分布的直接视图；

图3是绘制磁极组件表面上的位置的可变设计参数分布的径向位置与角位置的图；

图4是根据一个实施例的单独的非轴对称磁极组件的等高线的透视图；

图5是替代的开放紧凑磁组件的透视图，该开放紧凑磁组件特别地具有穿过整个磁组件的两个大孔；

图6是磁组件的初始模型中的平面的铁磁体磁极以及由可变设计参数表示的表面位置的分布的透视图，该磁组件具有穿过其中的大孔。

图7是通过将方法应用于包含图6的磁极的磁组件获得的轴对称的铁磁体磁极的等高线的透视图；

图8是示出根据一个实施例的用于限定用于成像体积的磁场的步骤的流程图；

图9是更好地示出如图8中所示的用于产生磁组件的初始模型的步骤的流程图；以及

图10是更好地示出如图8中所示的用于以目标函数形式计算相对于目标磁场的偏差的步骤的流程图。

具体实施方式

现在参见附图，其中，在全部附图中，相似的附图标记表示相似的元件，图1-4示出根据一个实施例的磁组件1。在这个实施例中，磁组件1包括第一铁磁体磁极组件2和第二铁磁体磁极组件3。第一和第二铁磁体磁极组件2、3以彼此固定的间隔关系进行布置，作为“双平面”磁体，从而在其间限定空间，该空间包含成像体积17，并且足够大以容纳要在成像体积17处成像的对象(未示出)。磁组件1是“开放的”，因为要成像的对象可以在磁极组件2、3之间移动以定位在成像体积17处。

在这个实施例中，第一和第二铁磁体磁极组件2、3中的每一个包括柱状永磁体6(7)和基本上柱状的铁磁体8(9)。永磁体6(7)和基本上柱状的铁磁体8(9)被布置为铁磁体8(9)位于成像体积17和永磁体6(7)之间。向内的表面或“磁极表面”4、5邻近第一和第二铁磁体磁极组件2、3之间的空间。如在此更详细地描述的，第一和第二铁磁体磁极组件2、3的每一个在它们的向内表面4、5上产生多个磁场强度，以在成像体积中产生可接受地均匀的磁场。在这个实施例中，可接受地均匀的磁场是包括大约10ppm或更小的磁场不均匀性的磁场。这种不均匀水平被认为对于在磁共振成像(MRI)装置中使用来说是可接受的，所述MRI装置是诸如当在干扰后重新与大致均匀的磁场对齐时基于成像体积17中由质子发射并且由检测器50检测的射频信号而成像的MRI装置。

铁磁体8、9被称为“基本上”柱体，这与严格的柱体相对，因为在这个实施例中，虽然当在图1中从上(或下)看时铁磁体8、9是圆形的，但是各向内的或“相对”的表面或磁极表面4、5并不是严格意义上的平面。而是，每一个铁磁体8、9被成形为具有磁性材料的多个厚度(当截面地看时)，从而在向内的表面4和5上产生多个磁场强度。

在这个实施例中，磁组件1还包括轭结构10，其具有与四个柱13-16连接的第一和第二轭板11和12。第一磁极组件2连接到最接近第二轭板12的第一轭板11的向内的表面。类似地，第二磁极组件2连接到第二轭板12的向内的表面。

可以理解的是，在诸如MRI的具体的磁应用中，在成像体积17中需要高的整体磁场强度。在这个实施例中，为了实现这个高磁场强度，永磁体6和7由钕铁硼复合物形成。在替代实施例中，可以使用另外的材料或被永久磁化并且具有高的最大能积的材料。此外，铁磁体8、9和轭结构10的每一个由诸如钢的含铁材料形成。如上所述，特别对于MRI应用来说有利的是，在成像体积中具有良好的磁场均匀性。然而，在现有的已知磁组件中，特别是具有平面磁极表面的磁组件中，由磁组件产生的磁场一般具有较差的均匀水平。此外，在先前已知的磁组件中，由于整个磁组件的非轴对称形状，特别由于轭结构的非轴对称形状，导致成像体积中的磁场不均匀因此为轴对称和非轴对称的。结果，与需要很大的磁体来实现足够大小的成像体积的磁组件的整体大小相比，这样的现有的已知的磁组件中的任何包含可接受地均匀的磁场(即，适合于成像)的空间的体积很小。

在此参考图8描述用于限定用于成像体积的磁场的方法。在所述方法中，产生磁组件1的初始模型(步骤100)，并且基于该模型来确定用于成像体积的磁场(步骤200)。计算用于成像体积的磁场和目标磁场之间的偏差(步骤300)，并且，通过修改磁组件1以产生多种磁场强度来更新模型以减小偏差，所述多种磁场强度以组合的方式基本上产生成像体积中的目标磁场(步骤400)。

如果在步骤400的更新后确定需要再循环(迭代)(步骤500)，则再一次执行估计、计算和更新步骤。

在这个实施例中，目标磁场是均匀的磁场，使得基本上产生成像体积中的目标磁场。

图9更详细地示出了用于产生磁组件1的初始模型的步骤，如上面的步骤100中所示。首先，选择限定表示磁体组件1的形状、尺寸和材料的用于成像体积1的设计参数(步骤110)。

然后限定约束条件(步骤112)，使得为参数提供初始值，并且将参数指定为可变的或不可变的。可以以包括经验地、任意地或随机地的任何方式来选择或预定设计参数的初始值，假设它们满足指定的约束条件。例如，在这个实施例中，磁组件1的材料被初始定义为表示如上所述的钢和钕铁硼复合物的磁属性，但是被指定为不变的，使得在模型的更新期间，可以不改变材料。另一方面，在这个实施例中，表示磁体的向内的表面的表面几何形状的参数被初始定义为表示平面或“平坦”的向内的表面，但是被指定为可变的使得可以在更新期间对其进行修改以优化它们的形状，以产生如图1中所示的非平面的向内的表面。

在已经限定了参数化的参数初始值和约束条件以产生磁组件的初始模型的情况下(步骤114)，然后使用采用有限元方法(FEM)或边界元素方法(BEM)的模拟技术来估计由初始磁组件产生的磁场，特别是用于感兴趣的成像体积的磁场(步骤300)。

在已经估计了磁场的情况下，然后计算目标磁场和由初始模型表示的磁组件产生的磁场之间的偏差。要减小并且优选被最小化的偏差被定义为目标函数Ψ(步骤310)，其能够由一组设计参数来确切地或隐含地确定。在这个实施例中，目标函数Ψ包含用于其中要优化磁场的每一个区域的至少一项Ψ_i(使用下标i＝1，2，...来标注)。因此，至少存在一项Ψ_i，其在这个实施例中是实际磁场与成像体积17上的优选地均匀的磁场的偏差的计算，如以下等式(1)中所示：

${\mathrm{\Ψ}}_1=\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫}{(B\left(r\right)-B_0)}^2\mathrm{d\Ω}---\left(1\right)$

其中，

B(r)是在位置r的磁场强度；并且

B₀是期望的磁场强度。

在这个实施例中，期望的磁场强度B₀的位置是磁组件的等中心点或在成像体积17的中心点。在这个实施例中，这两个点重合。在成像体积17上估算等式(1)中的积分的值，并且将该值数学地表示为Ω。目标函数Ψ包含用于其中要限定磁场的每一个区域的至少一项。在这个实施例中，目标函数Ψ的至少一项是在成像体积上计算的实际磁场与优选均匀的磁场的偏差的测量。然而，如果期望其他区域也被优化，则每一个区域具有关联的项，所述关联的项类似地是在区域的关联的体积上计算的实际磁场与那个区域中期望的磁场的偏差的测量。在该情况下，被表示为Ω_i的其他区域要求偏差减小，并且如在下面的等式(2)中所示地计算目标函数Ψ的第i项Ψ_i：

${\mathrm{\Ψ}}_i=\underset{{\mathrm{\Ω}}_i}{\∫}{(B\left(r\right)-B_i\left(r\right))}^{2}d{\mathrm{\Ω}}_i---\left(2\right)$

其中：

B(r)是在位置r的磁场；并且

B_i(r)是在位置r的期望的磁场。

在该情况下，将表示被估计为要由磁组件1产生的磁场与目标磁场的偏差的优选的总目标函数Ψ仅计算为独立项的加权和(步骤312)，如下面的等式(3)中所示：

$\mathrm{\Ψ}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{w}_i{\mathrm{\Ψ}}_i---\left(3\right)$

其中：

w_i是第i项Ψ_i的用户定义的权重。

权重w_i用于根据由用户确定的它们的重要性来标度和中的个体项Ψ_i。例如，成像体积17中心点可以被给予比与另外的对象或装置(诸如，在接近磁组件1的某个位置的检测器50或线性加速器)重合的点更高的权重，以便相对于干扰减轻更有利于成像体积均匀性。

将理解的是，可以使用目标函数及其个体项的替代定义，以便获得满足本发明的目的的合理设计。例如，目标函数可以包括上面被表示为Ω和Ω_i的区域的边界上而不是在区域本身之上的间隔的计算。

在已经根据输入参数组定义了目标函数(因此，依赖于参数)的情况下，更新被指定为变量的N个设计参数的子集以减少总目标函数Ψ。要更新的这N个变量描述了要优化的几何形状。在优化处理的第k循环中，设计向量z_k被定义为其元素是独立的可变参数的向量，如下在等式(4)中所示：

z_k＝[z_k1 z_k2 ... z_kN]                                (4)

其中：

z_kj是在第k循环中的第j个可变参数，其中j＝1，...，N。

在这个实施例中，要等高绘制(contour)向内的表面(磁极表面4和5)，以便减小偏差，从而产生目标磁场。所使用的变量表示磁极表面4和5上的点18的集合的各轴向位置，如图2中所示。在图2中，相对于第一轴测量所述位置，该第一轴通常从第一磁极组件2的中心延伸到第二相对的磁极组件3的中心。所述点被布置为相对于第一轴测量的它们的径向位置与它们的角位置的曲线形成如图3中所示的二维网格。然后，通过位于磁极表面4和5的每一个上的可变参数的组之间的线性插值来描述实际的磁极表面4和5。可以理解的是，提供这些可变参数要满足的约束条件，以便保证物理上合理的设计。因此，优选的是，这样的约束条件包括在磁极表面4和5上的点的轴位置的可允许值的范围，因此强制磁极组件2和3的最小轴向宽度以及两个相对磁极组件2和3之间的最小分隔。

有利的是，从上述的参数化获得的磁极组件2和3不必须限于轴对称。因此，提供成像体积17中的轴对称和非轴对称磁场不均匀性的有益减小，并且，允许在磁组件1中或磁组件1附近的任何区域中产生的磁场的有益定制来适合可能干扰磁场或被磁场干扰的其他对象和/或装置。

在此描述的设计参数化被示出用于说明的目的，因为对于什么参数被指定为可变的和参数如何与它们想要描述的实际几何形状相关来说，存在着许多其他的变化或选择。例如，上述点的集合可以不必须实际位于磁极表面4和5的表面上，而是可以是用于限定实际磁极表面4和5的某种其他插值方法的加权控制点。也可以基于设计者的要求，以某种其他方式来选择控制点的数量和几何分布。此外，可以将额外的设计参数指定为可变的，诸如磁极组件2和3的位置、取向或其他各种尺寸以及特定的材料属性，诸如永磁体6和7的磁化分布。

在更新期间(步骤400)，在每个循环，使用非线性数学优化算法以便调整每一个可变设计参数来减小目标函数Ψ的值，从而减小偏差。已经发现，目标函数Ψ相对于设计参数是高度非线性的。因此，使用鲁棒的非线性优化算法，以便实现合理循环次数内的目标函数Ψ的局域最小值的适当地规定的容差内的收敛。在这个实施例中，所使用的非线性优化算法是最陡下降方法。通常，从第k循环的设计向量获得第(k+1)循环的设计向量，如在下面的等式(5)中所示：

z_k+1＝z_k+α_kd_k                                  (5)

其中：

α_k是在搜索方向向量d_k中的标量步长。

步长α_k标度在第k循环在搜索方向上更新设计向量的量。使用非精确线搜索算法确定步长α_k。根据最陡下降方法，定义搜索方向向量d_k，如下在等式(6)中所示：

d_k＝-▽Ψ_k                                           (6)

其中：

▽是梯度算符；以及

▽Ψ_k是在第k循环计算的关于可变设计参数的目标函数的梯度向量。

计算▽Ψ_k的第j元素，如在下面的等式(7)中所示：

${(\▿{\mathrm{\Ψ}}_k)}_j=\frac{\∂{\mathrm{\Ψ}}_k\left(z_{\mathrm{kj}}\right)}{\∂z_{\mathrm{kj}}}---\left(7\right)$

虽然可能不能精确地确定最陡下降方法所要求的等式(7)中的一阶导数，但是可以近似地求得。虽然可以使用逼近一阶导数的若干方法，但是最简单的方法之一是基于有限差近似来计算每一个一阶导数。有线差近似包括计算下述两者之间的差：特定循环的单个可变参数z_kj被扰动相对于其标准值的小的有限量δz的设计的目标函数Ψ；以及该循环的未受扰的设计的目标函数Ψ，如下等式(8)中所示：

$\frac{\∂{\mathrm{\Ψ}}_k\left(z_{\mathrm{kj}}\right)}{\∂z_{\mathrm{kj}}}\≈\frac{{\mathrm{\Ψ}}_k(z_{\mathrm{kj}}+\mathrm{\δz})-{\mathrm{\Ψ}}_k\left(z_{\mathrm{kj}}\right)}{\mathrm{\δz}}---\left(8\right)$

图4单独地示出图1的磁极组件2。经验性地选择具有完全平面/平坦表面的大体柱形状用于作为磁组件的一部分的初始模型。在如上所述的优化方法的执行后，更新模型，使得磁组件1的单项目标函数Ψ的值被局域最小化，并且获得成像体积17中的大的均匀磁场。更具体地，在从初始平面构造的更新期间修改用于表示磁极组件2的铁磁体磁极8的向内的表面4上的位置的可变参数，以表示等高线绘制的向内的表面4。如所看到的，该等高线提供了铁磁体磁极8的体积上的磁材料的变化量。

由于非轴对称轭结构10(参见图1)，导致获得的铁磁体磁极8是非轴对称的。由于在其体积上的磁材料的厚度的变化，导致与类似地形成的磁组件3结合的磁极组件2产生其向内的表面4上的多个磁场强度，该多个磁场强度组合以在成像体积17中产生基本上均匀的磁场。

在上述示例中阐述的原理可以被应用来实现另外的目的，诸如更新模型以除了磁组件之外进一步包括能够以使得成像体积中的磁场成为不可接受地不均匀的方式干扰成像体积中的磁场的一个或多个对象和/或装置。例如，这样的对象可以包括在治疗室中的物理屏障、诸如线性加速器、成像检测器或其他对象的一个或多个装置等。在该情况下，基于该更新的模型来执行估计、计算和更新。一个或多个这样的装置也可以本身能够以使得一个或多个装置不可接受地运行的方式受到成像体积中的磁场干扰。所述方法可以进一步包括：基于更新的模型来修改目标磁场，以例如减少磁场与一个或多个装置的干扰。修改可以包括修改成像体积的形状以适应邻近的装置，或修改不均匀的可接受阈值以适应邻近的装置。这样的装置可以被插入由磁体限定的空间内，并且/或者可以位于一个或多个磁体中的孔内。

根据一个实施例，在多个顺序阶段中执行用于限定磁场以包含额外的对象和/或装置或包含在磁体之一或两者中的孔的方法。在每一个阶段中，所述修改的一个或多个被包含到从在前一个阶段的优化获得的磁组件的设计内。还包括任何新的关联的约束条件和与新包含的修改相关联的目标函数中期望的额外的项，并且再一次执行偏差减小方法，获得用于那个阶段的磁组件设计。执行多个阶段，直到所有期望的修改已经被包含到计算机模型模拟中，并且获得最终的设计。可以在整个设计优化方案内以任何特定顺序来进行修改，并且被指定为变量的设计参数不需要在不同阶段之间保持相同。

在图5至7中示出具有穿过整个磁组件19的两个大孔35和36的磁组件19的实施例。更具体地，分别从第一和第二磁极组件20和21以及轭结构28的第一和第二轭板29和30空出第一和第二孔35和36。为了限定磁场，使用与前述实施例的参数化不同的参数化，其中，通过将设计变量选择为沿着磁极组件表面22和23的径向线的点37的集合的轴向位置来实现轴对称的磁极组件。特别在图6中示出这一点。然后，通过下述方式来形成磁极组件表面22：在相邻点37之间线性地插入轴向位置，然后约束距离磁极组件的中心具有相等的径向距离的表面22上的所有点以具有相等的轴向位置。换句话说，点37指定磁极组件表面22上的一系列环状同心截锥形部分的高度。可以理解的是，在这个实施例中的设计参数化可以被替代为关于哪些参数被指定为变量和这样的参数如何与实际的表面几何形状相关的其他变化或选择。

图7示出已经在如上所述的更新期间从图6的平面表面修改为所示的非平面/起伏表面的铁磁体磁极26的实施例。更具体地，经验性地选择具有完全平坦表面的大体柱状作为磁极的初始设计，并且执行优化方法来更新设计，使得磁组件19的单项目标函数Ψ的值被局域最小化以获得磁组件等深点(在附图中未示出)处的球形成像体积中大的均匀的磁场。

在此描述的用于限定成像体积的磁场的方法和初始和更新的模型可以被体现在一个或多个软件应用中，该软件应用包括由服务器和其他装置执行的计算机可执行指令。软件应用可以包括具有例程(routine)、程序、对象组件、数据结构等的程序模块，并且可以被体现为在计算机可读介质上存储的计算机可读程序代码。计算机可读介质是能够存储数据的任何数据存储装置，其之后能够被计算装置读取。计算机可读介质的示例包括例如只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、磁带和光学数据存储装置。计算机可读程序代码也可以被分布在包括联接的计算机系统的网络上，使得以分布的方式来存储和执行计算机可读程序代码。

应理解的是，可以基于在此的教导来设想替代实施例。例如，如上所述的第一和第二磁极组件可以被替代为或伴有线圈磁体构造。在这样的实施例中，在设计处理中改变以产生多个磁场强度的优化参数可以包括已经在此描述的参数的任何组合以及与线圈磁体设计相关的多个参数，诸如线圈匝数、线圈电流、线圈线径、线圈形状和线圈位置。

虽然上述方法中的估计、计算和更新被循环地执行阈值次数，但是替代是可能的。例如，可以循环地执行估计、计算和更新，直到由目标函数Ψ表示的偏差的大小落到阈值水平之下，或替代地，直到在连续的循环之间由目标函数Ψ表示的偏差的大小的改变没有超过阈值量。

虽然上面描述了最陡下降方法用于执行非线性优化，但是可以替代地使用在文献中可获得的其他数学非线性优化算法。这样的替代算法包括单工方法、共轭梯度方法或最陡下降方法、单工方法和共轭梯度方法的组合。

虽然对于估计等式(7)的一阶导数已经在上面描述了有限差近似，但是替代地，可以使用本领域内的技术人员已知的更复杂的技术和近似公式来逼近一阶导数。已知一种这样的技术为设计敏感度分析。

虽然以上已经主要针对限定用于成像体积的目标磁场进行了描述，其中在特定的实施例中目标磁场是基本上均匀的磁场，但其他应用也是可以想到的。例如，用于成像体积的目标磁场可以不是基本上均匀的磁场，而是带有具有对于特定应用而预先确定的斜率和方向的特定梯度的不均匀磁场。更一般地，下述应用是可以想到的，其中，目标磁场不是用于成像，而是用于其他功能。一种这样的功能是对诸如由放射治疗装置发射的电子、质子或光子的粒子进行导向。例如，可以期望限定用于目标体积的磁场，以根据其能量来导向/引导/改变电子、光子或质子束(用于质子治疗)的路径，诸如当前利用偏转磁体所实现的那样。如上所述的方法可以用于各种应用，其中，磁组件的两个或更多的磁体相同或彼此成镜像，或其中，磁组件的两个或更多磁体是不相同的以实现期望的结果，诸如如上所述的偏转。因此，虽然在初始模型中磁体的类似之处在于它们相同或彼此为镜像并且每一个磁体具有平面的向内的表面，但是在根据约束条件和要求的更新模型中，两个磁体可以在它们不完全类似的意义上成为不是相同的，以便实现成像的梯度或偏转等。事实上，取决于约束条件和要求，在更新模型中，两个磁体的形状和尺寸可以彼此非常不同，以便实现期望的结果。

虽然已经描述了实施例，但是本领域内的技术人员可以明白，在不偏离由所附的权利要求限定的本发明的目的和范围的情况下，可以进行改变和修改。

Claims (58)

1.一种磁组件，包括：

至少两个磁体，所述至少两个磁体以彼此固定的间隔关系进行布置，由此在所述磁体之间限定包含成像体积的空间，所述磁体中的每一个在其向内的表面上产生多个磁场强度，所述多个磁场强度以组合的方式在所述成像体积内产生可接受地均匀的磁场。

2.根据权利要求1所述的磁组件，其中，所述可接受地均匀的磁场具有大约10ppm或更小的磁场不均匀性。

3.一种磁共振成像(MRI)装置，包括：

根据权利要求1所述的磁组件；以及

检测器，所述检测器检测当在扰动后重新与基本上均匀的磁场对齐时由在所述成像体积内的质子发射的射频信号，其中成像基于检测的射频信号。

4.根据权利要求1所述的磁组件，其中，每一个磁体被成形为具有多个厚度的磁材料，从而产生所述多个磁场强度。

5.根据权利要求1所述的磁组件，其中，每一个磁体包括线圈磁体，每一个线圈磁体具有各自的属性，从而产生所述多个磁场强度。

6.根据权利要求5所述的磁组件，其中，所述线圈磁体的属性包括线圈匝数、线圈线径、线圈形状、线圈位置和线圈电流中的至少一种。

7.一种限定用于成像体积的磁场的方法，所述方法包括：

产生磁组件的初始模型；

基于所述模型来估计用于所述成像体积的磁场；

计算估计的磁场和用于所述成像体积的目标磁场之间的偏差；以及

通过修改所述磁组件以产生多个磁场强度来更新所述模型以减少所述偏差，所述多个磁场强度以组合的方式基本上产生所述成像体积中的所述目标磁场。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述目标磁场是均匀的磁场。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述初始模型基于指定所述磁组件的参数，并且所述更新包括修改所述参数中的一个或多个。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述磁组件包括至少两个磁体，所述至少两个磁体以彼此固定的间隔关系进行布置，从而在所述至少两个磁体之间限定包含目标体积的空间。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，通过轭组件来将所述至少两个磁体保持在所述固定的间隔关系，并且所述轭组件是所述初始模型的一部分。

12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述轭组件包括与各磁体相关联的两个轭板，以及连接所述两个轭板的柱。

13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述磁体每一个包括与所述两个磁体之间的空间相邻的向内的表面。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述更新包括：

修改表示所述向内的表面之一或两者的表面几何形状的一个或多个参数。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，表示所述向内的表面之一或两者的表面几何形状的可变参数包括向内的表面上的各点的沿着所述磁组件的纵轴的位置。

16.根据权利要求14所述的方法，其中，修改所述可变参数以轴对称地修改所述表面几何形状。

17.根据权利要求14所述的方法，其中，修改所述可变参数以非轴对称地修改所述表面几何形状。

18.根据权利要求9所述的方法，其中，指定所述磁组件的参数包括用于指定以下至少一种的参数：磁体形状、磁体尺寸、磁体材料和可允许的磁组件大小的范围。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，在所述修改期间能够修改至少所述磁体形状和磁体尺寸。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，在所述修改期间，至少所述可允许的磁组件大小的范围保持不变。

21.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述初始模型中，所述参数指定所述磁体的向内的表面是平的，并且在所述修改期间，修改所述参数以指定所述磁体的向内的表面中的至少一个不是平的。

22.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：

产生更新的模型，所述更新的模型除了所述磁组件之外还包括一个或多个对象，所述一个或多个对象能够以使得所述成像体积中的磁场成为不可接受地不均匀的方式干扰所述成像体积中的磁场；以及

基于更新的模型来执行所述估计、计算和更新。

23.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：

产生更新的模型，所述更新的模型除了所述磁组件之外还包括一个或多个装置，所述一个或多个装置能够以下述方式干扰所述成像体积中的磁场和/或受到所述成像体积中的磁场的干扰，所述方式为引起所述一个或多个装置不可接受地运行并且/或者使得所述成像体积中的磁场成为不可接受地不均匀；

基于更新的模型来修改所述目标磁场，以减少所述磁场与所述一个或多个装置的干扰；以及

基于更新的模型来执行所述估计、计算和更新。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，修改所述成像体积包括：修改所述成像体积的形状。

25.根据权利要求23所述的方法，其中，修改所述目标磁场包括：修改不均匀性的可接受阈值。

26.根据权利要求23所述的方法，其中，所述一个或多个对象包括线性加速器。

27.根据权利要求8所述的方法，其中，所述目标磁场在不均匀性的阈值水平处或之下。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述偏差是在确定的磁场和目标磁场的均匀性水平中的偏差。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，更新所述模型以减少所述偏差包括：更新所述模型以减少所述磁场的轴对称不均匀性。

30.根据权利要求28所述的方法，其中，更新所述模型以减少所述偏差包括：更新所述模型以减少所述磁场的非轴对称不均匀性。

31.根据权利要求8所述的方法，其中，循环地执行估计、计算和更新。

32.根据权利要求31所述的方法，其中，以阈值次数循环执行所述估计、计算和更新。

33.根据权利要求31所述的方法，其中，循环地执行所述估计、计算和更新，直到所述偏差的大小落在阈值水平之下。

34.根据权利要求31所述的方法，其中，循环地执行所述估计、计算和更新，直到在连续的循环之间所述偏差的大小的改变不超过阈值量。

35.根据权利要求8所述的方法，其中，所述基本上均匀的磁场具有大约10ppm或更小的磁场不均匀性。

36.根据权利要求22所述的方法，其中，所述一个或多个对象中的至少一个被引入到模型内位于一个或多个磁体中的孔内。

37.根据权利要求23所述的方法，其中，所述一个或多个装置中的至少一个被引入到模型内位于一个或多个磁体中的孔内。

38.一种计算机可读介质，其上具有计算机可读程序，用于限定用于成像体积的磁场，所述计算机程序包括：

产生磁组件的初始模型的计算机程序代码；

基于所述模型来估计用于所述成像体积的磁场的计算机程序代码；

计算估计的磁场和用于所述成像体积的目标磁场之间的偏差的计算机程序代码；以及

通过修改所述磁组件以产生多个磁场强度来更新所述模型以减少所述偏差的计算机程序代码，所述多个磁场强度以组合的方式基本上产生所述成像体积中的所述目标磁场。

39.根据权利要求7所述的方法，其中，所述目标磁场是期望的不均匀磁场。

40.根据权利要求39所述的方法，其中，所述期望的不均匀磁场具有带有预定斜率和方向的磁场梯度。

41.一种磁组件，包括：

至少两个磁体，所述至少两个磁体以彼此固定的间隔关系进行布置，由此在其间限定空间，所述磁体中的每一个在其向内的表面上产生多个磁场强度，所述多个磁场强度以组合的方式产生目标体积内的目标磁场。

42.根据权利要求41所述的磁组件，其中，所述至少两个磁体是不同的。

43.根据权利要求41所述的磁组件，其中，所述目标磁场偏转通过所述目标体积的粒子束。

44.根据权利要求41所述的磁组件，其中，所述目标磁场是期望的不均匀磁场。

45.根据权利要求44所述的磁组件，其中，所述期望的不均匀磁场具有带有预定斜率和方向的磁场梯度。

46.根据权利要求45所述的磁组件，其中，所述目标体积是成像体积。

47.一种限定用于目标体积的磁场的方法，所述方法包括：

产生磁组件的初始模型；

基于所述模型来估计用于所述目标体积的磁场；

计算估计的磁场和用于所述目标体积的目标磁场之间的偏差；以及

通过修改所述磁组件以产生多个磁场强度来更新所述模型以减少所述偏差，所述多个磁场强度以组合的方式基本上产生所述目标体积中的所述目标磁场。

48.根据权利要求47所述的方法，其中，所述磁组件包括至少两个磁体，所述至少两个磁体彼此以固定的间隔关系进行布置，由此在所述至少两个磁体之间限定空间。

49.根据权利要求48所述的方法，其中，所述至少两个磁体之间的空间包含所述目标体积。

50.根据权利要求48所述的方法，其中，在所述初始模型中所述至少两个磁体是类似的。

51.根据权利要求50所述的方法，其中，在更新模型中所述至少两个磁体是不同的。

52.根据权利要求50所述的方法，其中，在更新模型中所述至少两个磁体是类似的。

53.根据权利要求48所述的磁组件，其中，所述目标磁场被限定以偏转通过所述目标体积的粒子束。

54.根据权利要求41所述的磁组件，其中，所述目标磁场是期望的不均匀磁场。

55.根据权利要求44所述的磁组件，其中，所述期望的不均匀磁场具有带有预定斜率和方向的磁场梯度。

56.根据权利要求55所述的磁组件，其中，所述目标体积是成像体积。

57.根据权利要求47所述的磁组件，其中，所述目标体积是成像体积。

58.一种计算机可读介质，包含用于限定用于目标体积的磁场的计算机程序，所述计算机程序包括：

产生磁组件的初始模型的计算机程序代码；

基于所述模型来估计用于所述目标体积的磁场的计算机程序代码；

计算估计的磁场和用于所述目标体积的目标磁场之间的偏差的计算机程序代码；以及

通过修改所述磁组件以产生多个磁场强度来更新所述模型以减少所述偏差的计算机程序代码，所述多个磁场强度以组合的方式基本上产生所述目标体积中的所述目标磁场。

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