CN1041969C - 大气隙c型永磁磁体 - Google Patents

Abstract

具有大气隙高均匀度磁场的C型永磁磁体，适用于医用磁共振成像装置及类似要求的分析仪器设备中。磁体三侧开口，闭合磁路由安装在C形铁轭内的主磁块、极板、侧磁块、角磁块和铁轭构成。极板表面有高导磁、高电阻材料制成的覆盖层。整个磁体结构紧凑，重量轻，漏磁场范围小；工作区域内磁场均匀度高，可以完成快速高质量成像。这种开放式磁体使病人可变换体位进入气隙中，减轻了禁闭感，也便于医务人员的诊断、观察与治疗。

Description

大气隙C型永磁磁体

本发明是一种具有大气隙高均匀度磁场的C型永磁磁体，适用于医用磁共振成像系统(以下简称MRI系统)及类似要求的科学研究与工业分析仪器设备中。

MRI系统是七十年代末发展起来的一种新型的医疗诊断设备，目前在生物、医学基础研究与临床医疗诊断等领域正获得日益广泛的应用。磁体是MRI系统关键部件之一，可以采用电磁、永磁及超导三种类型的磁体。超导磁体附属设备较多且非常复杂，运行维护费用高。电磁磁体耗电量大，还必须带有水冷系统。永磁磁体因其工作可靠、价格低、无需附属设备，运行维护方便，节约能源等优点，越来越得到重视和发展。

为了获得高质量的诊断图象，要求在成像区域磁体产生的静磁场具有很高的磁场均匀度，在球径为30厘米的工作区域内，各点磁密与球心点相差在10^-4至10^-6Tesla(特斯拉)的范围内，亦即最大偏差为数十毫高斯。

减轻重量与提高均匀度，目前仍是大气隙高均匀度磁场永磁磁体所面临的两大技术问题。同时为了适应快速高质量成像、减轻病人禁闭感(Claustrophobia)、便于医务人员进行观察诊断与治疗的要求，需要减小涡流和进一步改进磁体结构。

用于MRI系统的永磁磁体可以分成框式(或称闭式)和开式两种形式。后者是近年来出现和发展的形式，由于可以明显地减轻病人的禁闭感、同时又便于医务人员的临床观察操作与诊断治疗而受到欢迎。

美国佛内尔(Fonar)公司设计制造的QED Beta 3000永磁体是最早应用于MRI系统的闭式永磁磁体，有铁轭，其工作磁密为3000高斯，以恒磁铁氧体材料为磁源，总重量为90多吨。中国专利85103498是一种改进结构。以恒磁铁氧体为磁源，磁密为1500高斯，总重为22吨。估算该方案当磁密达3000高斯时，总重量超过60吨。中国专利89106300．5是又一种改进的无铁轭的结构，采用锶钙磁铁氧体作为磁源，磁密为1500高斯时，重量达9吨，但漏磁场范围较大。纽约大学医学院(NYSM)研制的另一种磁体(见IEEE Transaction onMagnetics，Vol．Mag-25，No．5，P3904-3906)由不同形状、不同充磁方向的永磁磁块拼装而成，加工和安装都非常复杂。

以上几种方案都是闭式结构MRI永磁磁体，由磁块或铁轭围成封闭的气隙，病人只能从两端进入气隙中并受到禁闭，医务人员也难于做临床观察和治疗。

美国通用原子(General Atomics，简称GA)公司的美国专利U．S．Patent NO．4943774是一种开式结构的永磁磁体(见图4)。磁块(1)按环形排列，安装在上下两块铁轭(2)上。上下两部分的四个角上用四根由铁磁材料制成的圆柱(3)支撑。这四根柱子也作为磁通路径，柱子支撑的上下两铁轭之间形成开放的磁场。但是由于仅仅以四根柱子作为磁通返回路径，逸漏的杂散磁场范围较大，整个主磁体的设计效率并不高。

如图5所示，由Picker公司申请的英国专利U．K．PatentNo．2136209是另一种开式永磁磁体，采用横卧U型形式。磁块(1)安装在上下两铁轭(2)上，U型侧铁轭(3)兼作支撑及磁通返回路径用。该磁体中，磁块与侧铁轭距离较大，也没有采取内部防漏措施，因而气隙中漏磁场较大，又因铁磁材料的用量大，所以整个磁体的重量与体积都较大。

在MRI系统中，为了确定成像的空间信息，要在静磁场上施加一个三维梯度场。在成像过程中，梯度场的强度和方向是快速变化的，变换速度一般高于1000Hz，并且为了适应日益发展的快速、高质量成像的要求，变换速度还在提高。但是，高速变换的梯度场在磁体极板侧轭中引起的涡流，使得梯度脉冲的上升时间t1与下降时间t2变长，参见图3，从而降低了信噪比，导致成像质量的下降。为了降低梯度脉冲的上升时间tl与下降时间t2的值，削弱涡流的影响，通常的方法或是降低梯度场的变换速度，或是采用涡流补偿线圈。前者使得成像速度也随之降低，后者增加了许多附属设备，消耗了电能。

本发明的目的是提供一种改进的开式大气隙高均匀度磁场的MRI系统用永磁磁体，并在磁体极板上附加了减小因梯度脉冲变换所引起的涡流的覆盖层，使图象质量得到提高。

本发明大气隙C形永磁磁体的结构是这样的，从端面看磁体呈C型，有水平对称轴线，一副一侧开口的C形铁轭由上下两平行段和连接两平行段的侧连接段组成，上下两块相互平行的主磁块分别位于铁轭上下两平行段的内侧，两块相互平行的极板分别装在两主磁块朝向气隙的表面，两极板之间的气隙中间区域是成像工作区。安装在铁轭内侧的主要构件还包括对称布置的两块侧磁块和两块角磁块，上下两块侧磁块位于铁轭侧连接段的内侧，上下两块角磁块分别位于上下主磁块和上下侧磁块之间；角磁块的剖面为等腰直角三角形，它的两条直角边分别与主磁块和侧磁块紧贴；铁轭侧连接段的上下两端的内侧呈倒角状，角磁块的斜边与铁轭侧连接段的内侧倒角段紧贴；两极板朝向气隙的表面有高导磁率和高电阻率材料的覆盖层，沿覆盖层表面的边缘各有一副极环；上下两块相互平行的主磁块的磁极取向为垂直向下，上侧磁块的磁极取向为水平向右，下侧磁块的磁极取向为水平向左，上角磁块的磁极取向为与水平对称轴线成45°角指向右下方，下角磁块的磁极取向为与水平对称轴线成45°角指向左下方；磁体纵向长度是气隙高度的2．0至2．5倍。由主磁块、带有覆盖层的极板，侧磁块、角磁块及铁轭组成闭合磁路。

本发明C型永磁磁体中的主磁块，极板和覆盖层三者的横向宽度及纵向长度相等。覆盖层的厚度为极板厚度的六分之一至三分之一。角磁块和侧磁块的纵向长度与主磁块的纵向长度相等。主磁块的纵向长度即磁体的纵向长度，等于气隙高度的2至2．5倍。当极环纵断面为矩形时，其横向宽度和纵向长度与极板相同；极环纵断面是圆环形时，其外直径与极板的横向宽度相等。

本发明C型永磁磁体还有以下特征。从磁体端面看，侧磁块朝向气隙面呈阶梯状。C型铁轭的上下两平行段的端部外侧有阶梯，侧连接段的上下两外端角被截去呈倒角状。覆盖层表面边缘极环的横断面为矩形或梯形。紧贴覆盖层和侧磁块表面各有一组垫补铁片阵。

说明本发明内容和背景有以下附图

图1、本发明C形永磁磁体端视图。

图2、两种铁轭端部磁通分布比较

    (a)横断面为阶梯形(本发明)

    (b)横断面为矩形

图3、两种梯度脉冲波形

    (a)无涡流的理想情况下

    (b)有涡流时

图4、GA公司的开式永磁磁体

图5、Picker公司的横卧U型永磁磁体端视图

下面结合附图详细说明本发明内容。如图1所示，从端面看，本发明永磁磁体的C型铁轭和气隙在同一侧开口，有水平对称轴线，主要构件对称布置，C型铁轭由上下两平行段(4)和连接平行段的侧连接段(6)组成，安装在铁轭内侧的主磁块(1)、侧磁块(2)和角磁块(3)各有两块；互相平行的两主磁块(1)装在铁轭上下两平行段(4)的内侧；两侧磁块(2)装在铁轭连接段(6)的内侧；两角磁块(3)位于主磁块(1)和侧磁块(2)之间，角磁块(3)的剖面为等腰直角三角形，它的两条直角边分别与主磁块(1)和侧磁块(2)紧贴，并且直角边的长度与主磁块(1)的高度相等；铁轭侧连接段(6)的上下两端的内侧呈45°倒角状，角磁块(3)的斜边与铁轭侧连接段(6)的内侧倒角段紧贴；两块互相平行的极板(5)装在主磁块(1)朝向气隙的表面，极板(5)朝向气隙的表面有覆盖层(7)，覆盖层(7)边缘上各有一副极环(8)；紧贴覆盖层(7)和侧磁块(2)朝向气隙的表面，各有一组垫补铁片阵(9)。各磁块的磁极取向已在上文说明并在图1上表示出来。

从磁体端面看，装在铁轭连接段(6)内侧的侧磁块(2)以其左侧面紧贴铁轭侧连接段(6)的内侧壁，朝向气隙面(即右侧面)有2至10级阶梯。极板(5)表面覆盖层(7)的厚度为极板厚度的六分之一至三分之一。覆盖层(7)边缘上极环(8)的横断面是矩形或梯形(包括直角梯形)。

本发明磁体C型铁轭中，上下两平行段端部(10)的外侧的横断面呈阶梯形，如图2(a)所示，例如每端外侧各有三级阶梯，各阶梯的高度为铁轭上下平行段端部(10)总厚度的三分之一，各阶梯长度为主磁块(1)横向宽度的四分之一至三分之一。与端部截面呈矩形的铁轭(图2(b))相比，端部呈阶梯形的铁轭以及安置在铁轭内侧的主磁块(1)中的磁通分布均匀，既提高了气隙中磁场的均匀度，又减轻了重量。从磁体端面看，铁轭侧连接段(6)上下二端的内侧和外侧均呈45°倒角状，如图1所示，即侧连接段(6)的上下二端各向右上和右下倾斜45°，侧连接段(6)的内侧，倒角的高度与主磁块(1)的高度相等，使角磁块(3)可以直接安装到铁轭内侧的两个角上。这种形状可以使铁轭内侧两个倒角附近的磁饱和程度降低。

本发明中，极板(5)的覆盖层(7)起到减小涡流的作用，使梯度脉冲的上升时间t1与下降时间t2降低(如图3所示)，从而使诊断图像的质量得到提高。覆盖层(7)选用导磁性能良好并具有高电阻率的材料，其电阻率应在1．4μΩ·m以上。这种材料有导磁合金，以及主要由铁粉与树脂胶合而成的磁性混合物。覆盖层(7)可以是直接压制成的一水平光滑的薄板，也可以制成小块后粘贴在极板(5)表面。覆盖层(7)的厚度为极板(5)厚度的六分之一至三分之一，视气隙磁密和梯度脉冲的大小而定。本发明在极板(5)表面附加了覆盖层(7)之后，梯度脉冲上升时间t1与下降时间t2显著下降，由3毫秒左右下降到1毫秒左右，信噪比得到提高，图像质量有了明显的改善。

本发明磁体中极环(8)的作用是抬高气隙边缘处的磁密值，从而改善气隙中磁场的均匀度。极板(5)的厚度根据选定尺寸的刚度要求而定，与磁路计算无关。

本发明磁体加上四组垫补铁片阵(9)以后，气隙中磁场的均匀度有较大的改善，工作区内各点的磁密最大偏差为数十毫高斯，在球直径为30cm的成像区域内，达到80ppm至100ppm的指标。进而在采用通电匀场线圈校正磁场后，则可达到10ppm至50ppmm的指标。

本发明磁体的各磁块选用去磁特性为线性的永磁材料制作，如恒磁铁氧体、钐钴永磁、钕铁硼永磁等，并要求工作点落在最大磁能积附近。铁轭、极板和极环选用饱和磁密值在1．8Tesla以上的铁磁材料，如电工纯铁。

本发明有以下显著的特点并体现了技术上的先进性：

(1)磁体结构紧凑，重量轻。不封闭的C型铁轭节省了材料，铁轭侧连接段靠近主磁块，仅隔一角磁块的距离。根据本发明构思，制造在30厘米球直径的工作区内气隙磁密为1500高斯的磁体，以铁氧体为磁源总重为9吨，仅为中国专利85103498磁体重量的41％，并与中国专利89106300．5无铁轭磁体的重量基本相等。采用本发明设计，以钕铁硼永磁作为磁源，制造在30厘米球直径的工作区内气隙磁密为3500高斯的磁体，总重仅为16吨。可以推算，若与英国专利2136209制造的磁体相比，本发明磁体的重量减轻20％左右，而体积减小30％左右。与其它开式结构磁体相比，本发明磁体漏磁场范围减小10％至20％。

(2)C型磁体三侧开口，病人可改变体位进入气隙，同时也减轻了病人的禁闭感，方便了医务人员做临床观察、诊断与治疗。

(3)极板表面有一层高导磁、高电阻材料的覆盖层，减少了由于梯度脉冲变换所引起的涡流，降低了梯度脉冲的上升时间与下降时间，适应了快速、高质量的成像要求。

以下是如图1所示本发明的几个实施例的主要技术参数。

实施例1

工作区磁密                B=1500高斯

磁源    锶钙恒磁铁氧体

        剩磁密度          Br=3800高斯

        矫顽力            Hc=2700奥斯特

        最大磁能积   (BH)max=3．2×10⁶高斯·奥斯特

气隙    高度              490毫米

        宽度              1050毫米

主磁块  高度              370毫米

        横向宽度          1050毫米

        纵向长度          1100毫米

侧磁块  高度              150至200毫米

        横向宽度          约350毫米

        纵向长度          1100毫米

        朝向气隙侧所含阶梯数目  3至5个

        阶梯高度          约50毫米

        阶梯宽度          15至30毫米

角磁块  高度(等腰直角三角形直角边长)370毫米

        纵向长度                   1100毫米

铁轭    平行段端部厚度             90毫米

        平行段端部所含阶梯宽度     220毫米

        侧连接段厚度               380毫米

极板    厚度                       40毫米

        横向宽度                   1050毫米

        纵向长度                   1100毫米

极环    横断面形状                 矩形

        横断面长度                 18毫米

        横断面宽度                 10毫米

        纵断面形状                 矩形

        纵断面长度                 1100毫米

        纵断面宽度                 1050毫米

覆盖层  厚度                       14毫米

磁体总长度                         1600毫米

磁体总重量                          11吨

磁场均匀度 在气隙中心球直径为30厘米的范围内的磁场均匀度不低于100ppm。

实施例2

工作区磁密                         B=3000高斯

磁源    钕铁硼永磁体

        剩磁密度                   Br=11200高斯

        矫顽力                     Hc=10500奥斯特

        最大磁能积 (BH)max=3．0×10⁷高斯·奥斯特

气隙    高度                       490毫米

        宽度                       1000毫米

主磁块  高度                       200毫米

        横向宽度                   1000毫米

        纵向长度                   1000毫米

侧磁块  高度                       100至200毫米

        横向宽度                   10至25毫米

        纵向长度                   1000毫米

        朝向气隙侧所含阶梯数目     2至4个

        阶梯高度                   约85毫米

        阶梯宽度                   3至10毫米

角磁块  高度(等腰直角三角形直角边长)200毫米

        纵向长度                   1000毫米

铁轭    平行段端部厚度             90毫米

        平行段端部铁轭所含阶梯宽度 240毫米

        侧连接段厚度          260毫米

极板    厚度                  40毫米

        横向宽度              1000毫米

        纵向长度              1000毫米

极环    横断面形状            矩形

        横断面长度            22毫米

        横断面宽度            12毫米

        纵断面形状            矩形

        纵断面长度            1000毫米

        纵断面宽度            1000毫米

覆盖层  厚度                  16毫米

磁体总长度                    1500毫米

磁体总重量                    13吨

磁场均匀度在气隙中心球直径为30厘米的范围内的磁场均匀度不低于100ppm

实施例3

工作区密度                    B=3500高斯

磁源    钕铁硼永磁体

        剩磁密度              Br=11200高斯

        矫顽力                Hc=10500奥斯特

最大磁能积 (BH)max=3．0×10⁷高斯·奥斯特

气隙    高度                     490毫米

        宽度                     1000毫米

主磁块  高度                     250毫米

        横向宽度                 1000毫米

        纵向长度                 1000毫米

侧磁块  高度                     100至200毫米

        横向宽度                 10至25毫米

        纵向长度                 1000毫米

        朝向气隙侧所含阶梯数目   2至4个

        阶梯高度                 约85毫米

        阶梯宽度                 3至10毫米

角磁块  高度(等腰直角三角形直角边长)250毫米

        纵向长度                 1000毫米

铁轭    平行段端部厚度           100毫米

        平行段端部铁轭所含阶梯宽度 240毫米

        侧连接段厚度             300毫米

极板    厚度                     40毫米

        横向宽度                 1000毫米

        纵向长度                 1000毫米

极环    横断面形状               矩形

        横断面长度                26毫米

        横断面宽度            14毫米

        纵断面形状            矩形

        纵断面长度            1000毫米

        纵断面宽度            1000毫米

覆盖层  厚度                  18毫米

磁体总长度                    1600毫米

磁体总重量                    16吨

磁场均匀度 在气隙中心球直径为30厘米的范围内的磁场均匀度不低于100ppm。

Claims (8)

1．大气隙C型永磁磁体，从端面看磁体呈C型，有水平对称轴线，一副一侧开口的C型铁轭由上下两平行段和连接两平行段的侧连接段组成，上下两块相互平行的主磁块分别位于铁轭上下两平行段的内侧，两块相互平行的极板分别装在两主磁块朝向气隙的表面，两极板之间的气隙的中间区域是成像工作区，其特征是安装在铁轭内侧的主要构件包括对称布置的两块侧磁块和两块角磁块，上下两块侧磁块位于铁轭侧连接段的内侧，上下两块角磁块分别位于上下主磁块和上下侧磁块之间；角磁块的剖面为等腰直角三角形，它的两条直角边分别与主磁块和侧磁块紧贴；铁轭侧连接段的上下两端的内侧呈倒角状，角磁块的斜边与铁轭侧连接段的内侧倒角段紧贴；两块极板朝气隙的表面有高导磁和高电阻率材料的覆盖层，沿覆盖层表面的边缘各有一副极环；上下两块相互平行的主磁块的磁极取向为垂直向下，上侧磁块的磁极取向为水平向右，下侧磁块的磁极取向为水平向左，上角磁块的磁极取向与水平对称轴线成45°角指向右下方，下角磁块的磁极取向与水平对称轴线成45°角指向左下方；磁体纵向长度是气隙高度的2．0至2．5倍。

2．如权利要求1所述的C型永磁磁体，其特征是极板和覆盖层的横向宽度及纵向长度分别与主磁块的横向宽度及纵向长度相等，覆盖层的厚度为极板厚度的六分之一至三分之一，角磁块和侧磁块的纵向长度与主磁块的纵向长度相等，角磁块直角边的长度与主磁块的高度相等。

3．如权利要求1或2所述的C型永磁磁体，其特征在于从磁体端面看，侧磁块朝向气隙面是阶梯状。

4．如权利要求1所述的C型永磁磁体，其特征是C型铁轭的上下两平行段的端部外侧有阶梯，侧连接段的上下两个外端角被截去成倒角状。

5．如权利要求1或4所述的C型永磁磁体，其特征是C型铁轭上下两平行段端部各有三级阶梯，每级阶梯的高度各为铁轭平行段端部总厚度的三分之一，长度为主磁块横向宽度的四分之一至三分之一；侧连接段的上下两端的内侧与外侧均呈45°倒角状，内侧倒角的高度与主磁块高度相等。

6．如权利要求1所述的C型永磁磁体，其特征是极环的横断面为矩形或梯形。

7．如权利要求1或2所述的C型永磁磁体，其特征是紧贴覆盖层和侧磁块表面各有一组垫补铁片阵。

8．如权利要求1或2所述的C型永磁磁体，其特征是覆盖层采用电阻率在1．4μΩ·m以上的导磁合金，或主要由铁粉与树脂胶合压制的混合材料。

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