CN102316798A - 用于磁共振成像的小型非均匀永磁场发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主要在磁共振成像(MRI)应用中使用的磁体装置。该磁体装置由单个盘状永磁体与环状永磁体的组以及非对称布置的磁极构成，这个组连接到非对称布置的磁极的C型磁轭以及返回固定装置上。两个永磁体共同在中央区域产生了具有大的静态梯度的强磁场。该磁体装置主要为基于MRI扫描的扩散成像而设计，但也能够执行常规的MRI扫描。

Description

用于磁共振成像的小型非均匀永磁场发生器

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年12月18日提交的标题为“COMPACTINHOMOGENEOUS PERMANENT MAGNETIC FIELD GENERATORFOR MAGNETIC RESONANCE IMAGING”的第61/138,940号美国申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

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不适用

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不适用

技术领域

本发明涉及永磁体设计，该永磁体设计能够产生主要用于核磁共振(NMR)、磁共振成像(MRI)和磁共振断层成像(MRT)用途的非常强且不均匀的磁场。

背景技术

在磁共振成像(MRI)中，需要能进行优质神经病学MRI研究的小型的、非常高效及稳健的成像系统。具体地，令人期望的是这些系统能够胜任扩散研究、血管造影成像研究以及功能性成像研究。通常，MRI扫描仪在施加了多种编码脉冲梯度磁场的情况下，通过用射频磁场操纵处于大的静态均匀磁体内部的病人的氢原子核而工作。目前，需要增加基于扩散MRI的研究来对脑卒中的事态发展进行量化并且制定适当的治疗规划。强梯度的使用产生了更多提供信息的扩散加权(diffusionweighted)图像。然而，大的梯度切换磁场实际上是难实现的，而且对于磁场的变化率存在生理极限。

因此，极其需要无需梯度切换的高强度磁场梯度。这些新型系统将能够进行改良的扩散成像(对脑卒中研究是重要的)、更清晰的血管造影研究以及可能较少噪声的功能性MRI研究。本发明将具有强的、静态梯度并且因此产生具有更多提供信息的扩散加权图像。另外，通过利用主磁场内大的静态梯度，设备将会变得小巧且易于设置，从而能够获得广泛应用。

发明内容

列出下面的发明内容仅是为了介绍在下文的具体实施方式中论述的一些概念。本部分的内容不是全面的，并且没有旨在描述由权利要求书阐述的可保护的主题的范围。

基于上述考虑，本发明实施例的目标是提供一种具有大的静态梯度的磁体系统，该磁体系统主要适合于通过MRI进行的神经病学研究，并且非常小巧、轻量以及易于设置。

本发明实施例的目标是提供一种由永磁体构成的磁体系统，所述永磁体由两个主要部分构成：盘状部和环状部，二者共同产生了非常强的磁场。所述盘状部中的磁化方向是轴向的；而在环状部中，磁化方向大体上是径向的。

因此，这种永磁体组的布置具有下面的效果：使在中央产生的磁通量集中，同时使外部的磁通量最小。C型磁轭系统以及返回固定装置进一步使中心磁通量集中并使磁泄漏最少，同时还用于支撑所述永磁体。

本发明实施例的另一目的是能够产生大的静态梯度。这是通过完全移除永磁体块的对称的下半部分来实现的。

控制中央磁场的又一措施是通过上下非对称布置的磁极来实现的，以形成恒电位表面并且在二者之间产生线性静态梯度磁场。通过PM块盘状部和环状部的结合而大大降低在磁极系统内产生的磁通量，增强了磁极系统的效用。

由于降低的磁通量影响，磁轭以及返回体整个具有缩小的体积，尤其在所述磁体系统的不具有所述PM块的那一侧上具有小得多的体积。

本发明实施例的又一目标是提供一种在MRI应用中使用的磁体装置，其具有：一对磁极，所述一对磁极关于与每个磁极平行的对称平面定向，在二者中间限定了气隙区域；作为磁场源的磁体，其固定在一个磁极的与所述气隙相对的表面(远离所述气隙的一面)上；所述磁体在与所述一个磁极相对的表面(远离所述气隙的一面)上与磁轭连接，另一磁轭对称地布置在所述气隙的另一侧上，所述另一磁轭在面向所述气隙的一侧上与另一磁极连接；并且所述一对磁轭通过返回体相互连接，以便整个磁体装置能够形成闭合的磁通量回路，以大体上将磁场限制在所述气隙、磁极、磁体、磁轭以及返回体内，从而在几何形状上呈圆柱形的所述气隙形成了为检查目的而放置对象的成像区。

本发明的其它方面将通过后面的附图和具体说明变得更加清楚。

附图说明

为了了解本发明上文记载的以及其它优点和特征，将通过参考在附图中说明的本发明的具体实施方式，对上文简要描述过的本发明提供更具体的描述。在理解这些附图仅描绘了本发明的典型实施例且因此不要认为限制本发明的范围的情况下，将通过使用附图对本发明用附加特征和细节来描述和说明，其中：

图1示出了本发明一个实施例的磁体的二维(2D)有限差分轴对称模型以及主磁场通量轮廓，z轴为轴对称的轴；

图2示出了本发明一个实施例的磁体的2D有限差分轴对称模型以及主磁场通量轮廓，其中仅具有PM块的盘状部，主磁场通量具有顺时针方向穿过磁体的磁通流，z轴为轴对称的轴；

图3示出了本发明一个实施例的磁体的2D有限差分轴对称模型以及主磁场通量轮廓，其中仅具有PM块的盘状部，主磁场通量在上面的磁轭部分具有逆时针方向的磁通流，而它们在气隙部仍是竖直方向的，这增强了由图2中的盘状PM块单独在气隙部产生的磁场，z轴为轴对称的轴；

图4示出了本发明一个实施例的三维(3D)边界元模型；

图5示出了本发明一个实施例中的磁体的3D详细剖面图；

图6示出了本发明一个实施例的3D边界元模型的一半，其示出了中央成像平面内的矢量磁场轮廓；

图7示出了本发明一个实施例的3D边界元模型沿着中央竖直轴线的图，其示出了在25cms的跨度上大约60G/cm的线性磁场变化；

图8示出了与图7类似的x轴位置再偏移-10cm的图，其示出了在25cm的跨度上沿着中央竖直轴线60G/cm的线性变化；

图9示出了与图7类似的y轴位置再偏移+10cm的图，其示出了在25cm的跨度上沿着中央竖直轴线60G/cm的线性变化。

具体实施方式

下面参照附图详细描述非均匀永磁场发生器装置。应理解，虽然下面的描述集中在产生用于磁共振成像的磁场的装置上，但本文公开的系统和方法具有广泛的适用性。尽管下文阐述具体实施例，但是本领域技术人员能想象的所有那样的变化及修改均落入本发明的范围内。

的对于高效小型MRI的如下设计允许磁体在尺寸上缩减，同时牺牲磁场均匀性来增加磁场强度。随着这种技术的发展，能够使用具有显著非均匀性的小型磁体。这允许磁体具有更轻的重量以及更小的占位面积。

来自于如量子信息处理这些领域的发展也导致了“最佳控制方法”，此“最佳控制方法”能使用非均匀静态磁场(如果该磁场分布是众所周知的话)精确地操纵例如MRI设备内部的氢原子核。本发明的实施例意在与这些种类的精确控制方法一起使用。

当前最先进的技术能够使基于MRI磁体的开放式整体永磁体(PM)的尺寸和重量降低多达70％。参见Lian等人的第20090085700号美国专利公开文本，其全部内容通过引用并入本文。例如，以下是将当前系统分别通过使用传统方法和新型高效方法而被设计成开放式PM磁体的对比：

                0.3T       0.45T       0.7T

传统设计        15吨       20吨        30吨

新型高效设计    5吨        12吨        22吨

除了这些效用以外，对大的静态梯度的需求允许将通常由必需的两个块(上面的一个和下面的另一个)组成的PM块的一侧整体移除。因此，所提出的磁体装置由单个盘状永磁体和环状永磁体的组以及非对阵布置的磁极构成，单个盘状永磁体和环状永磁体的组连接到C型磁轭和返回固定装置。两个永磁体共同产生了在中间区域内具有大的静态梯度的强磁场。这种新型配置极为轻便且尺寸上比较紧凑。

制造非常高效的永磁体(PM)系统的挑战能够通过使用近来一些技术进步以及利用大的静态梯度来应对。传统上，开放式PM系统使用两个类似盘状的PM块，一个在下面，另一个在上面，以在二者之间的气隙中产生偶极磁场。基于这种方法的典型设计能为全身成像产生高达0.5T的中央磁场。尽管这是十分成功的配置，但是当需要达到更高磁场时，则产生许多困难。其它支撑结构中的许多部件(如磁轭和返回柱)开始饱和或者需要被做的更大，以支持所增加的磁场，因此导致系统在尺寸和重量上比较笨重。而且，非常重要的磁极也饱和，这使得它们无法有效地提供恒电位表面，而提供恒电位表面能够使气隙中的磁场抵抗由温度变化引起的中心频率漂移而保持均匀和稳定。

基于开放式MRI磁体设计的PM(Lian等人)的最近发展通过提供策略性地置于系统中的附加磁场源来解决这些问题。该想法类似于利用在基于哈尔巴赫(Halbach)阵列型几何结构的磁体系统中产生的固有效果。除了PM块的传统盘状部以外，还增加了如图1上部所示的环状PM。PM块上面的类似盘状部中的磁化方向是竖直的或者轴向的，而在类似环状的外部中，磁化方向径向向外。

这样放置的类似环状部如图2和3所示那样工作，其中盘状部在磁轭和磁极中产生顺时针方向的通量(图2)，环状部(图3)在磁轭和磁极中产生逆时针方向的通量，然而在气隙中产生如预想的竖直方向的磁场。因此，尽管中央磁场已经近乎翻倍，但是磁极和磁轭具有流经它们的显著降低的通量。利用这几种的效果允许基于MRI磁体的开放式PM的整体尺寸和重量显著减少。

进一步减少系统尺寸及重量的同样显著的第二效果是在气隙间的中央磁场内产生了大的静态梯度。一种产生这种梯度的非常常见的方法是完全移除下面的PM块。图1、2和3已经示出了下面的PM部分已移除的轴对称有限差分模型的2D磁场绘图。

图4示出了充分利用所有这些特征的3D磁体设计。该系统具有大约90cm直径的占位面积和约0.8公吨的重量。其在竖向25cm的区域以及横向20cm的区域上，具有如图7-9所示的大约60G/cm的Bz分量磁场分部的静态梯度。PM磁体块具有大约47MGOe的能量密度。图6示出了那个中央平面上的矢量图看上去的样子。

上面考虑的特殊设计可以通过详细的优化方案加以改进，首先考虑将PM磁体块的能量密度增加至大约52MGOe。该材料是具有最高能量密度的PM材料，其在市场上可以买到并且被认为能够作为产品的形式实施。另外，能够显著地缩减磁轭和返回柱(磁轭和返回柱目前构成总重量的大约60％)。然而，这必须在不损害结构完整性的情况下进行。

图5所示的系统10是本发明的详细剖视图。系统的上面部分由磁轭1a组成，具有如图所示的竖直磁化方向2a的PM盘块2连接到磁轭1a。盘状PM 2周围连接了具有如该图所示的径向向外的磁化方向4a的环状PM 4。如图所示，盘状PM 2以及环状PM 4具有与它们连接的类似盘状的磁极9a以及环升高垫片7a。环状PM 4具有与它们连接的磁轭11，磁轭11延展了环状PM的全部轴向长度并且与磁轭1a连接。下面部分由磁轭1b以及底部磁极9b组成，底部磁极9b具有与上面的磁极9a不同的半径和厚度。如本文所述，它是数值较低的半径，但是其可以根据设计参数以及理想的具体静态线性梯度主磁场而变高。升高的环状垫片7b也相对于上面的升高垫片7a偏移，并且还可以根据主磁场的具体设计目标而具有不同的高度、厚度以及整体尺寸。磁体系统的上部和下部通过返回柱3磁性连接，以形成控制漏磁通并且使气隙内的磁场集中的高磁阻路径闭合磁路，气隙形成具有至少25cm DSV的可用容积的成像区域15。

总而言之，当本新型磁体与合适的氢原子核控制方法一起使用以得到期望的神经病学图像时，其凭借十分轻便且对于MRI应用而言易于设置的优势而相对于以前或者传统的磁体设计具有实质的益处。

当说明本发明的主要内容时，附图和说明书连同所附权利要求书决不意图限制本发明的范围和精神。因此，上述内容仅被认为说明本发明的原理。另外，由于本领域技术人员将容易想起多种修改和变化，所以不希望将本发明严格限制于所示出和描述的结构和操作，因此，可以采取的所有适当的修改和等同物落入本发明的范围内。尽管已经采用上面的形式以某一详细程度描述了本发明，应该理解，对本发明的描述仅为示例，在不背离本发明精神和范围的情况下，可以采取部件在构造、组合和布置的细节上的诸多变化。

Claims (16)

1.一种在磁共振成像应用中使用的磁体装置，所述磁体装置包括：

一对磁极，所述一对磁极关于与每个磁极平行的对称面彼此平行，在所述一对磁极之间限定了气隙区域；

作为磁场源的磁体，其固定在一个磁极的与所述气隙相对的表面上；

所述磁体在与所述一个磁极相对的表面上与一个磁轭连接，另一磁轭对称地布置在所述气隙的另一侧上，所述另一磁轭在面向所述气隙的一侧上与另一磁极连接；并且

所述一对磁轭通过返回体相互连接，以便整个磁体装置能够形成闭合的磁通量回路，以大体上将磁场限制在所述气隙、磁极、磁体、磁轭以及返回体内，从而在几何形状上呈圆柱形的所述气隙形成了为检查目的而放置对象的成像区。

2.如权利要求1所述的磁体装置，其中，

每个磁极由基部构成，所述基部类似盘状并且在直径上足够宽，以在所述气隙中产生磁场；

所述基部由高磁导率的软磁材料制成，每个所述基部的端部具有伸进所述气隙内的类似环状的部分；

所述类似环状的部分由高磁导率的软磁材料形成；并且

所述类似环状的部分具有在长度上能够从零变化到有限值的高度。

3.如权利要求1所述的磁体装置，其中，

所述磁体装置由实心的类似盘状的中央部以及环状的外环部组成；

所述类似盘状的中央部大体上在轴向上磁化；

所述环状的外环部大体上在径向上磁化；

所述磁体的所述类似盘状的中央部的主磁化方向指向轴向，北极指向所述磁轭，以便相邻的所述环状的外环部相对于此主磁化方向具有径向向外的主磁化方向；并且

如果在所述磁体内，所述类似盘状的中央部中用于磁化的北极背离所述磁轭指向，并且相邻的所述径向部的磁化作用径向向内指向，那么磁体可以是相反方向的。

4.如权利要求1所述的磁体装置，其中，

一个磁轭为所述磁体以及与所述磁体在同一端的磁极提供支撑结构；并且

所述磁轭由基础磁轭部和环状的环部组成；

所述基础磁轭部足够大，以在没有重大泄露的情况下承载从其内穿过的磁场通量；

所述磁轭的所述环部分足够大，以承载来自所述磁体的所述环状部的磁场通量；

所述磁轭的所述环部邻近所述磁体的环部，以得到遍及整个磁路的高效且均匀的通量分布；

所述磁轭的所述环部在没有向周围的磁路结构以及空气区域内大量泄露的条件下，将所有磁通量包含在其内；并且

与所述磁轭相对的另一磁轭支撑整个磁体，并且为与所述磁体侧对面的与气隙相对的另一磁极提供支撑。

5.如权利要求1或4所述的磁体装置，其中，

在所述气隙的一侧上仅使用一个磁体源来产生大的静态梯度。

6.如权利要求2所述的磁体装置，其中，

所述一对磁极在直径上是非对称的，并且能够调整该非对称性，以作为调整手段来获得所需的静态梯度。

7.如权利要2所述的磁体装置，其中，

所述基部是多边形；并且

所述环部是多边形。

8.如权利要求7所述的磁体装置，其中，

所述基部能够由如权利要求2所述的硬磁材料或软磁的材料制成，还能够由这两种材料的组合制成；并且

所述基部的外周边缘由永磁材料制成。

9.如权利要求7所述的磁体装置，其中，

所述环部由永磁材料制成。

10.如权利要求3所述的磁体装置，其中，

所述类似盘状的中央部是多边形；并且

所述环状的外环部是多边形。

11.如权利要求10所述的磁体装置，其中，

每个所述类似盘状的中央部或者多边形部具有子部分，所述子部分大体上轴向磁化，但是彼此呈现稍不同的轴向磁化方向；并且

每个所述环状的外环部或者多边形外环部具有子部分，所述子部分大体上径向磁化，但是彼此呈现稍不同的径向磁化方向。

12.如权利要求4所述的磁体装置，其中，

所述环状部在除磁路以外的周围区域内，具体地，在所述磁轭的上部和永磁体部之间的区域内，改善了高磁阻路径，从而能使所述返回柱更靠近所述气隙内放置，甚至与所述磁轭的所述环状部接触；并且

所述环状部或者从所述磁轭端向所述气隙端逐渐变细，或者彻底移除以减轻重量。

13.如权利要求12所述磁体装置，其中，所述环状部是具有大体上沿轴向的磁化方向的永磁体，以扩展所述气隙内的均匀区域并且进一步帮助对中央成像区进行调整。

14.如权利要求3所述的磁体装置，具有铁磁部分，以在装配过程中降低机械力，同时增加中央磁场值并且降低所述磁极的饱和度。

15.如权利要求11所述的磁体装置，其中，所述磁体的单独的环状部能够机械移动，以便能够调整中央磁场以及均匀度。

16.一种在磁共振成像应用中使用的磁体装置，所述磁体装置包括：

上磁极和下磁极，二者关于与每个磁极平行的对称面定向，在二者之间限定了气隙区域；

上磁体，其作为上面的磁场源；

所述上磁体具有固定到上磁极顶部表面的上磁体底部表面，所述上磁极顶部表面与面向所述气隙区域的上磁极表面相对；

所述上磁体连接到上磁体顶部表面上方的上磁轭；

下磁轭，其对称地布置在所述气隙对面；

所述下磁轭在面向所述气隙区域的下磁极顶部表面上连接到所述下磁极；以及

所述一对磁轭通过多个返回体互相连接，从而所述磁体装置能够形成闭合的磁通量回路，以基本上限制所述磁场，并且所述气隙形成用于放置接收检查的对象的成像区。

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