CN104459584A

CN104459584A - 用于产生均匀磁场的方法和装置

Info

Publication number: CN104459584A
Application number: CN201410443969.6A
Authority: CN
Inventors: 加瑞特·M·莱丝郭维兹; 格雷戈里·麦克费特斯; 塞巴斯迪安·普奈克尔
Original assignee: Nanalysis Corp
Current assignee: Nanalysis Corp
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2030-12-01
Also published as: CA2780181C; WO2011066652A1; BR112012013588B1; US20140225615A1; EP2507643A1; JP5818267B2; AU2010327289B2; US8712706B2; CN102640010B; CN102640010A; CN104459584B; EP2507643A4; EP2507643B1; US20110137589A1; CA2780181A1; NZ599837A; JP2013512442A; HK1171512A1; AU2010327289A1; BR112012013588A2

Abstract

公开了一种用于匀化磁场的方法。该方法使用单一的匀场电流，以有助于抑制磁场中的不均匀性的一个以上的几何分量，而不改变匀场路径的几何结构。还公开了一种执行该方法的装置。在实施方式中，装置包括基本共同定向的匀场路径。

Description

用于产生均匀磁场的方法和装置

技术领域

本发明涉及抑制磁场中的不均匀性。

背景技术

相关背景技术的出版物包括：

McDowell,A.与Fukushima,E.的“Ultracompact NMR:¹H Spectroscopy in a Subkilogram Magnet”，Applied Magnetic Resonance 35(1),185-195,2008。该参考文献描述了具有纳升体积试样的紧凑永磁体中的NMR光谱学。

Blümich,Bernhard等人的“Mobile NMR for Geophysical Analysis and Materials Testing”，Petroleum Science 6(1),1-7,2009。该参考文献示出了使用Halbach磁体设计的紧凑NMR光谱仪。

Chmurny,Gwendolyn N.和Hoult,David I.的“The Ancient and Honourable Art of Shimming”，Concepts in Magnetic Resonance Part A 2(3),131-149,2005。该参考文献详述了在匀化时球谐函数展开的使用。

Raich,H.和Blümler,P.的“Design and Construction of a Dipolar Halbach Array with a Homogeneous Field from Identical Bar Magnets:NMR Mandhalas”，Concepts in Magnetic Resonance B:Magnetic Resonance Engineering 23B(1),16-25,2004。该参考文献详述了在核磁共振谱仪中由立方磁体支撑的Halbach型磁体的使用。

Moresi,Giorgio和Magin,Richard的“Miniature Permanent Magnet for Table-top NMR”，Concepts in Magnetic Resonance Part B:Magnetic Resonance Engineering 19B(1),35-43,2003。该参考文献公开了对于使用平极片的NMR应用使场内部Halbach阵列更加均匀的研究。它也提到了突起的设计结构。

Danieli,Ernesto的“Mobile Sensor for High Resolution NMR Spectroscopy and Imaging”，Journal of Magnetic Resonance 198,80-87,2009。该参考文献公开了使用放在初级Halbach阵列中的磁体使场更加均匀的研究。

Keim,Thomas A.的“Intentionally Non-orthogonal Correction Coils for High-homogeneity Magnets”，US Pat.No.4,581,580,1986。公开了能够通过一组规定的施加电流的变型产生多个球谐函数的一组匀场线圈。在该组线圈中的给定线圈可以对一个以上的球谐函数起作用。

Golay,M.J.E.的“Homogenizing Coils for NMR Apparatus”，US Pat.No.3,622,869,1971。公开了使用均匀化线圈，以用于磁场的优化，该磁场包括附连到电绝缘板和与磁极片平行且邻近放置的电导体。

Kabler,Donald J.、Gang,Robert E.、and Reeser,Jr.、William O.的“Magnetic Field Shim Coil Structure Utilizing Laminated Printed Circuit Sheets”，US Pat.No.3,735,306,1973。公开了通过在单独模块中与极片平行且邻近放置的印制电路板而构造的场均匀化线圈。

Hughes的1987年的第4,682,111号美国专利公开了使用成形极片，以改进静态磁场的均匀性。

Rose N.E.的“Magnetic Field Correction in the Cyclotron”，Phys.Rev.53,715-719,1938。描述了用于在回旋加速器中的均匀化磁场的突起极片。

O'Donnell,Matthew等人的“Method for Homogenizing a Static Magnetic Field Over an Arbitrary Volume”，1987年的美国专利第4,680,551号(7月24日授权)。公开了基于磁场映射和加权最小二乘计算的匀化电流的选择。

在核磁共振(NMR)实验中，在偏置的静态磁场的影响下放置试样，该静磁场部分地对准试样的核旋转磁矩。该磁矩在静态场中以称作拉莫尔(Larmor)频率的频率旋动，该频率与磁场强度成正比。可以通过在拉莫尔频率处施加横向射频(RF)磁场来控制试样的磁矩。通过观察试样对RF磁场的反应，可以了解试样的化学组成。作为分析方法的NMR的功率可以主要是怎样很好地控制所施加的磁场特性的函数。

自从NMR初期开始，就已经存在匀化(shimming)磁场的实践(使磁场更加均匀)，并且为了改进磁场，匀场磁场的实施最初使用物理地放在源磁体后面的薄金属片以调整这些磁体的位置。更现代的匀化技术使用电磁线圈。传统的磁共振光谱仪通常使用设置成基本圆柱形的线圈形式的匀化线圈。在紧凑的NMR设备中使用匀场线圈已经被证明是非常困难，主要是因为空间限制，该空间不能容纳可能具有许多层的传统匀场线圈系统。在许多该设备中主磁体内部的可用空间太小，不能容纳一组典型的匀化线圈，该匀化线圈的个别元件被主要设计为解决主磁场的残余不均匀性的一个且仅一个几何方面或几何分量。

图1A、1B和1C对典型的强磁场光谱仪设计的主偏磁场和试样管结构与基于圆柱形Halbach阵列的紧凑磁体系统的设计进行比较。标为B的箭头表示主磁场方向。在附图中没有示出匀化措施。图1A示意地示出强磁场磁体的超导磁场线圈、插入的圆柱形试样管和由线圈产生的磁场B。试样体积(volume)内的磁场被沿线圈和管的共同对称轴定位。

图1B和1C示出插入圆柱形Halbach磁体阵列的相同试样管，Halbach磁体阵列产生与管的对称轴线垂直的磁场B。该特定的Halbach阵列由绕管放置的环形布置的8个磁体组成，磁体的磁化矢量(示为箭头)与管的对称轴线垂直。对于某些应用，Halbach阵列内部的磁场非常均匀，但是对于某些高分辨率的NMR实验，该磁场非常不均匀。

为了基本上减小磁场的不均匀性，对于不同的磁场不均匀性的几何方面进行独立的控制是有帮助的。在许多磁共振应用中，主磁场被沿规定的方向强烈地偏振，我们将规定的方向作为在源自某个固定点的笛卡尔参考系中的Z轴。位于空间中一点处的磁性旋转的拉莫尔频率通过该点处的磁场幅值来确定，该点位于通过磁场的Z分量B_z较好估计的合理均匀的磁场中。可以将B_z展开为函数的比例和，

B_{Z} (x, y, z) = B_{0} + Σ_{k} c_{k} f_{k} {(x, y, z)}^{B_{Z} = \underset{n}{Σ} c_{n} f_{n} (x, y, z),}

其中k是用于表征一组函数中的各个函数f_k的变量(或多个变量)，并且其中x、y和z是限定围绕至少一部分试样的体积中的位置的笛卡尔或其他空间坐标。B₀是磁场的大的且空间均匀的部分，系数c_k量化磁场不均匀性的不同分量。如果两个不相同的函数之间的数量积是零，那么该组函数，例如x、z、xy、被认为是正交的(相对于函数的规定数量积)。两个函数之间的共同数量积是积分，

< k 1 | k 2 > &equiv; {&Integral;}_{v} W (x, y, z) f_{k_{1}}^{*} (x, y, z) f_{k_{2}} (x, y, z) dV,

其中，V表示与对其计算积分的函数有关的体积，星号表示复共轭，W表示在体积上定义的加权函数，该积分量化(x、y、z)处的体积元素在其对积分的作用中是多么重要。

例如，通常，使用球谐函数中的展开，其中，球谐函数为：fn,m(x,y,z)＝N_n,mP_n,m(cosθ)exp(imφ)f_n,m(x,y,z)＝P_n,m(cosθ)exp(imφ)

其中

\begin{matrix} θ = \tan^{- 1} (\sqrt{x^{2} + y^{2}} / z) & θ = \tan^{- 1} (\sqrt{x^{2} + y^{2}} / z), \end{matrix}

φ＝tan^-1(y/x)Φ＝tan^-1(y/x)其中，P_n,m表示勒让德多项式或相关的勒让德函数，并且N_n,m表示标准化因数。在的情况下(其中δ表示狄拉克δ函数)，函数被称作是“在单位球面上正交的”。有时，采用复值的球谐函数的实值的线性组合作为替代。

此外，如果每个函数f_k和其自身之间的数量积等于1，那么称这组函数是标准正交的。

发明内容

公开了一种用于抑制磁场中不均匀性的方法和装置。该方法包括使用一个或多个匀场路径，匀场路径可以用于匀化场的一个以上的几何分量，而不需要改变匀场路径的几何结构或空间位置。

在第一实施方式中，公开了一种匀场磁场的方法，其中存在具有一个以上的几何分量的不均匀性，通过磁体组件产生磁场，所述方法包括：沿多个基本共同定向匀场路径的相应的匀场路径施加多个同等调制的单一匀场电流，每个匀场路径的一部分位于磁体组件中；以及使用多个匀场电流抑制磁场中的不均匀性的一个以上的几何分量。

在替代实施方式中，多个匀场电流被设置为共面。

在替代实施方式中，基本共同定向的匀场路径中的个别匀场路径：是基本直的；或包括由方向突变分开的两个基本直的部分；或包括由方向突变分开的3个基本直的部分；或包括具有锯齿形结构的区域。

在替代实施方式中，试样沿轴线和基本平行于轴线的匀场路径方向插入到磁场中。

在替代实施方式中，多个匀场电流中的每个单独的匀场电流都流入多个匀场路径中的相应一个中，并且其中通过以下方式确定电流中的特定电流：估计通过将已知电流施加到多个匀场路径中的每一个而产生的磁场；计算表示估计的磁场的几何分量的函数的数量积，以获得几何分量值；将几何分量值设置到矩阵中；确定矩阵的伪逆以得到伪逆矩阵值；以及根据伪逆矩阵值选择电流中的个别电流。

在替代实施方式中，该施加包括协调地调整匀场电流的幅值。

在替代实施方式中，单个匀场电流在匀场路径附近的导磁材料中感生镜像电流。

在替代实施方式中，公开了一种检测暴露于主磁场的试样中的磁共振的检测器，所述检测器包括：具有两个端部的基本平的匀场面板；以及具有在两个端部之间延伸的基本共同的方向的多个匀场路径，匀场路径用于在其上施加匀场电流。

在替代实施方式中，检测器包括具有轴线的纵向空间，纵向空间用于包含试样的试样探测器沿轴线的插入，并且方向基本平行于轴线。

在替代实施方式中，平的匀场面板包括两个平的面板。在替代实施方式中，检测器包括极片，在极片安装上有两个平的匀场面板，极片在纵向空间中延伸。

在替代实施方式中，匀场电流中的一个在极片中感生镜像电流。

在替代实施方式中，至少多个匀场路径的子集设置在基本平行的平面上。

在替代实施方式中，提供了一种印刷电路板，在印刷电路板上包括平的匀场面板。

在替代实施方式中，匀场路径或者包括由方向突变分开的基本直的区域，或者在其长度的至少一部分上是基本平行的。

在替代实施方式中，公开了一种匀场面板，该匀场面板具有第一和第二基本隔开的端部以及基本平的部分，该基本平的部分包括多个匀场路径，每个匀场路径基本在端部之间延伸，其中匀场路径：包括由路径的方向突变隔开的基本直的区域；或者在其长度的至少一部分上是基本平行的；或者具有基本相同的方向。

在替代实施方式中，匀场路径是共面的。

在替代实施方式中，检测器接受试样沿轴线的插入，所述面板的端部基本沿所述轴线定向。在替代实施方式中，匀场面板包括印刷电路板。在替代实施方式中，公开了一种用于磁共振设备的匀场电流的方法，所述方法包括步骤：估计通过将已知的电流施加到多个匀场路径而产生的磁场；使用函数数量积找到产生的磁场的几何分量；将作为几何分量得到的值设置到矩阵中；以及根据矩阵的伪逆中的值选择施加的电流。

在实施方式中，磁共振设备可以是NMR检测器并且可以是NMR光谱仪。

在实施方式中，通过估计施加到路径上的单位电流的影响来确定匀场电流，所述估计包括：模拟单位匀场磁场；或映射单位匀场磁场。

在实施方式中，每个单独的电流在路径中流动，且所述电流中的个别电流可以通过以下方式确定：得到路径的单位匀场磁场的几何分量的数量积；将数量积设置到矩阵中；以及选择与所述矩阵的伪逆中的相应输入中的值成正比的电流。

在实施方式中，公开了用于匀场具有两个几何分量的磁场的匀场装置，所述装置包括匀场路径且其特征在于装置可操作为在路径的几何结构保持不变时，通过改变施加到路径中的电流的幅值，抑制磁场的不同几何分量中的不均匀性。

根据如附图所示的选择的实施方式的下列详细说明，本发明的特征和优点将是显而易见的。应当理解，在不背离本文的范围的情况下，可以在各个方面对公开的和主张的内容能够进行修改。相应地，附图和描述实际上将被认为是示例性的，而非限制性的。

附图简要说明

图1A是示出了在线圈布置中的试样管的示意性侧视图，该线圈用于产生沿试样管的对称轴线定位的用于NMR的强磁场。

图1B是示出沿管的对称轴线观看的圆柱形Halbach磁体阵列中的试样管的示意性俯视图。

图1C是示出沿与管的对称轴线垂直的轴观看的圆柱形Halbach磁体阵列中的试样管的示意性立体图。

图2A是其中可以插入匀场面板的空间或其内可以放置匀场面板的的空间的示意性俯视图。

图2B是根据图2A的空间的侧视图。

图3示出了适用于基本沿Z轴产生磁场的磁体组件的端视图。

图4A示出了根据实施方式与匀场面板一起使用的极片设计的侧视图。

图4B是与图4A垂直得到的极片的视图。

图4C示出了图4B的细节。

图5示出根据实施方式的具有匀场面板的两个极片的布置。

图6是示出匀场面板的一个实施方式的平面图。

图7是示出匀场面板的第二实施方式的平面图，该匀场面板在板的两面或两层中的每一个上具有匀场路径的锯齿形图案。

图8是示出磁场轮廓的三维图，该磁场轮廓通过孤立地将200mA电流施加到如图7所示的迹线之一而产生。

图9是示出磁场轮廓的三维图，该磁场轮廓通过将电流一齐施加到如图7所示的迹线而产生。

图10示出了第一总体实施方式的方框图。

图11A示出了匀场面板的替代实施方式。

图11B示出了图11A的面板的匀场路径的第一层。

图11C示出了图11A的面板的匀场路径的第二层。

图11D示出了图11A的面板的匀场路径的第三层。

图11E示出了图11A的面板的匀场路径的第四层。

图12示出了与图13的磁体阵列垂直的部分。

图13示出了一个实施方式的实施例的方框图。

图14示出了根据替代实施方式的匀场面板。

具体实施方式

术语

在本文中，规定数量的元件(element)的表述应理解为包括该种元件的任何更大数量的可能性。因此，例如，匀场面板(shim panel)包括两个匀场路径的表述表示匀场面板包括至少两个匀场路径，但是也可以包括3、4、5或大于2个的任何数量的匀场路径。类似地，一组元件中的个别(individual)元件表示该组元件中的任一个或一个以上元件具有指定的特性或特征。

在本文中，术语“匀化(shimming)”是指用于抑制磁场不均匀性的任何方法。磁场可以是初级磁场，并且可以被产生或保持在磁共振设备中，磁共振设备可以是NMR设备、光谱仪和紧凑的NMR设备。

在本文中，术语“磁共振”或“MR”是指磁场中试样的磁矩的共振再取向，并且包括核磁共振(NMR)、电子旋转共振(ESR)、磁共振成像(MRI)和铁磁共振(FMR)。当本发明涉及使常规静态磁场更加均匀的方法和装置时，本发明还可以应用于离子回旋共振(ICR)中。在特定的应用和实施方式中，所公开的装置和方法被应用于NMR，以及在实施方式中，它们被应用于NMR共振光谱仪或NMR成像器。当暴露于磁场中时显示磁共振的材料被称作磁共振的或MR活性的核素或材料。

在本文中，术语“匀场(shim)”、“路径(path)”、“匀场路径(shim path)”、“匀场迹线(trace)”、“电流路径”等是指用于抑制初级磁场中的不均匀性的电流传导路径。“匀场电流”是施加到匀场路径的电流。“匀场磁场”或“匀化磁场”是指通过一个或多个匀场路径或匀场电流产生的磁场。在实施方式中，该路径可以由通常称作“匀场板”或“匀场面板”的适当表面支承，“匀场板”或“匀场面板”可以是板且可以是基本不导电或基本无磁性的。在实施方式中，可以由初级磁体的表面或磁性渗透材料的表面直接支承路径。在具体实施方式中，路径可以设置在1、2、3、4、5或更多层或平面之中或之上，或者在匀场面板的小于6、5、4、3或2层或平面之中或之上，匀场面板可以包括或支承任何适当数量的匀场路径。在具体实施方式中，匀场面板可以包括或支承8或24个路径，但是在替代实施方式中，1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30或更多个路径都是可能的。面板可以包括基本相对或互相间隔的端部，路径可以具有与匀场面板的两个端部相邻的端部。在实施方式中，匀场面板可以与初级磁场平行或垂直地放置，或者放置在其他任何期望的方向中。

在匀场面板的实施方式中，将匀场路径设置在多层或平面上可以更好地且更精确地控制匀场磁场。在实施方式中，匀场面板可以是印刷电路板，印刷电路板可以是具有适当的几何结构的路径的超薄型印刷电路板。在替代实施方式中，匀场面板的结构可以使用磁性透明材料，例如低温共烧陶瓷(“LTCC”)。一些替代材料对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。路径在其长度上可以是平行的或基本平行的。路径可以反向，并且路径可以是完全或部分弯曲或笔直的。在实施方式中，多个匀场路径被设置为共面并且被基本共同地定向。匀场路径在其全部长度的一部分上可以是平行的或基本平行的，并且在实施方式中可以包括两个或多个通过方向突变而分开的笔直区域。因此在替代的实施方式中，给定匀场路径在其长度上可以是基本笔直的、稍微或基本弯曲的，具有1、2、3、4、5、6或更多个方向突变，可以形成螺旋形，可以形成双向折弯，可以形成锯齿形、或者可以形成用户所期望的任何其他结构。应当理解，路径被设置为共面的情况下，平面自身可以是弯曲的或者在一个或多个点处的一个或多个方向上移动。在实施方式中，路径可以具有设置在平面上或设置在基本二维表面上的几何结构。

在本文中，关于匀场路径所使用的术语“定向”或“被定向”表示基于设置在匀场面板上的路径部分的端部的位置的路径的通常定位。因此，即便多个路径的结构包括多个方向变化，只要它们的端部被通常沿公共轴线定向或定位，这些路径就被认为具有共同的方向。类似地，相对于包括匀场路径端部的匀场面板的端部或表面的方向，限定匀场面板的方向。

在本文中，“匀场电流”是指为了期望的目的施加到匀场路径的电流并且在幅值或符号上具有任何适当的值。在实施方式中，匀场电流可以是由选自约正负1mA,2mA,3mA,4mA,5mA,6mA,7mA,8mA,9mA,10mA,20mA,30mA,40mA,50mA,60mA,70mA,80mA,90mA,100mA,110mA,120mA,130mA,140mA,150mA,160mA,170mA,180mA,190mA,200mA,250mA,300mA,350mA,400mA,450mA,500mA,550mA,600mA,700mA,800mA,900mA,1000mA,1500mA,2000mA或大于约2000mA或 -2000mA的值所限定的范围内的任意值。应当理解，在实施方式中匀场电流的方向可以被反向，并且对匀场电流值的任何提及可以包括或考虑该电流的正负定向或方向，这对本领域的技术人员而言很容易选择。

在具体实施方式中，给定匀场路径上的匀场电流可以沿路径方向或者主要在一个方向中流动，并且可以从约为0mA的当前值变化到约最大值J。该最大值J可以是约1mA,2mA,3mA,4mA,5mA,6mA,7mA,8mA,9mA,10mA,20mA,30mA,40mA,50mA,60mA,70mA,80mA,90mA,100mA,110mA,120mA,130mA,140mA,150mA,160mA,170mA,180mA,190mA,200mA,250mA,300mA,350mA,400mA,450mA,500mA,550mA,600mA,700mA,800mA,900mA,1000mA,1500mA,2000mA或大于约2000mA。类似地，在具体实施方式中且如果期望的话，电流最小值可以选自上述数值范围。

在本文中，术语“正交”是指当在磁场的个别几何分量之间求取函数的特定数量积时，所述函数的特定数量积为零。本领域的技术人员将认识到正交场校正可以是合乎需要的，以使不均匀性的个别几何分量可以被主要独立地调整并且被在传统的大规模的核磁共振谱仪中估计，该核磁共振谱仪可以具有几个交叠的线圈或关于圆柱形线圈形式的其他导电形状，每个线圈或形状是造成磁场的特定正交几何分量的主要原因，每个几何分量与球谐函数相关。

在本文中，术语“初级磁体”是指对磁共振应用中所使用的初级磁场有作用的磁体之一。在实施方式中，可以有两个或多个该初级磁体，并且它们之间的磁场(称作“初级场”)的均匀性可以通过使用匀场路径来调节或改进。

在本文中，术语“极片(pole piece)”是指放入用于产生或形成初级磁场的初级磁体的附近的磁性导磁材料片。应当理解，极片可以具有细长的表面且可以是适当成形的板的形式。

在本文中，术语“初级场”或“主场”或“初级磁场”或“主磁场”是指在用于磁共振应用的装置中产生的初级场。

在本文中，术语“试样体积”是指空间的体积，在该体积中试样可以放置在和暴露于主或初级磁场中，以检测磁共振特性或试样，包括确定试样中磁共振的存在、不存在或特性。试样体积可以具有任意的适当尺寸，并且可以被围起来或被部分围起来，可以或能够是真空或部分真空的或者能够是大气压控制的。在实施方式中，试样体积可以已经围绕其布置有极片、匀场路径、匀场面板和其他需要或可能的装置。在具体实施方式中，试样体积可以是六角形或圆柱形或其他形状的腔，或者可以位于六角形或圆柱形或其他形状的腔内，或者可以包括六角形或圆柱形或其他形状的腔，并且可以以一个或一个以上或多个磁体为边界。

在本文中，术语“伪逆”是指Moore-Penrose伪逆或线性算子的伪逆或矩阵的伪逆，并且可以称作“广义逆”。作为说明，对于矩阵A，其伪逆A⁺是其逆矩阵的概括，并且如果A是可逆方阵，则其伪逆A⁺等于A的逆。更确切地说，A的伪逆A⁺是具有以下特性的矩阵：1)AA⁺A＝A，2)A⁺AA⁺＝A⁺，3)AA⁺和A⁺A是厄米共轭(Hermitian)。在实施方式中，伪逆可以用于形成一系列公式的可接受的最佳拟合解或得到方程组的最佳解。在实施方式中，可以在数字计算机上使用多个由Wolfram Research^TM提供的标准计算程序包(例如Mathematica^TM)、通过奇异值分解来计算伪逆。

在本文中，术语“单位电流”是指任意选择的标准电流值。例如而非限制，单位电流可以是1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更大毫安，或者更大或更小。“单位匀场磁场”或“单位场”是指流过路径的单位电流所产生的磁场。

在本文中，“调制”磁场或磁场中可能包含的不均匀性是指，将一个或多个期望限制施加在空间中任意点处的磁场的结构上。因此调制通常是指实现期望的改变。

在本文中，“抑制”不均匀性是指对磁场的几何分量的任何调整，以校正或消除或以其他方式克服场中不期望的不规则或变形。抑制可以是完全的或部分的，并且可以影响一个或多个几何分量。在具体实施方式中，抑制可以被执行，以使磁场采用预定的期望均匀度。

在本文中，磁场的“分量”是指磁场的矢量分量，其可以处于任何方向中。不均匀性的“分量”是指几何分量，其可以但不限于包括例如在一组函数上的磁场展开中的任何函数分量，例如x、xy、或函数。

在本文中，“估计”参数(例如磁场、场分量、不均匀性的分量或电流)包括做出评定，该评定可以具有任意期望的精度、与参数的任何方面有关且可以包括方向、幅值、极性、几何结构、变化率等。可以通过包括模拟场、计算场、测量单位场、映射场或任何其他合适的方法在内的各种方法来实现估计，对本领域的技术人员而言，各种方法都是显而易见的。

在本文中，当参照匀场路径、匀场电流、匀场面板、匀场磁场、磁场等使用时，术语“几何结构”是指分量的空间布置和在考虑之中的结构的总体位置。因此，匀场路径可以用于调制磁场的一个以上分量而不改变匀场路径的几何结构是指，在不改变匀场路径的物理布置的情况下通过弯曲匀场路径或改变匀场路径的形状以及在不将整个匀场路径移动到不同空间位置或定向的情况下，来获得结果。

在本文中，任何结构或结构的部分可以由任何适当的材料构造或包含或包括任何适当的材料。例如在实施方式中，极片或任何其他导磁部件可以由例如锰游合金或坡莫合金的高磁导率材料构造，并且这些材料或其他材料以诸如Carpenter Hymu80、Carpenter High Permeability 49、Ni49或Alloy 4750的商品名或商标出售。对于任何给定应用，本领域的技术人员将容易地选择、采用和利用合适的材料。

实施方式

将总体参照图1-14解释本发明的实施方式。

第一实施方式

在第一常规实施方式中，公开了一种抑制磁场中的不均匀性的方法和用于匀化磁场的装置。所述装置和方法可以被包括在或执行在磁共振检测器中。该方法可以大致解释为用于匀化磁场的方法，该方法的特征在于使用单个匀场电流以抑制磁场中的不均匀性的一个以上的几何分量。所公开的装置可以是用于检测暴露于主磁场的试样中的磁共振的检测器，该检测器的特征在于使用个别匀场路径抑制磁场不均匀性的一个以上的几何分量，其中路径从支撑件的第一端延伸到基本相对的支撑件的第二端。在替代形式中，实施方式包括用于匀化具有两个几何分量的磁场的匀化装置，该装置包括匀场路径且特征在于：装置可操作为：在所述路径的几何结构保持不变或基本不变的同时，通过改变施加到路径上的电流的幅值来抑制磁场的不同几何分量中的不均匀性。实施方式还包括匀场面板，该匀场面板具有第一和第二基本相对的端部且包括多个匀场路径，每个均场路径大体在端部和磁共振检测器之间延伸，该磁共振检测器包括用于接收该匀场面板的接触部。

实施方式的进一步变型包括用于选择施加到多个匀场路径的电流的方法，该方法包括：估计通过将已知电流或单位电流施加到多个匀场路径所产生的磁场，使用数量积函数得到电流路径产生的磁场和其不均匀性的几何分量；将作为几何分量得到的值设置到矩阵中；以及根据矩阵的伪逆中的值选择所述施加的电流。估计可以包括映射(map)磁场、测量磁场或模拟磁场，并且可以包括估计镜像电流。

为简单起见，分别描述实施方式及其任何变形的具体方面，特别是，根据物理结构，分别描述计算用于产生匀场磁场的匀场电流而采用的方法。

A.实施方式的总体物理设计

第一实施方式的一般形式的方框图通常表示为10，将首先参照图10对其进行描述，并且其可以包括电源或功率输入16、控制系统12、电流缓冲电路14、用于产生初级磁场的产生器27、极片28、具有相关匀场路径的匀场面板18、18'、光谱电路22、和限定的试样体积25，试样体积25用于接受可以保持在试样保持器或试样管24中的试样。可以看出，匀场面板被设置成两个相对的匹配对，表示为18和18'。因此，在第一实施方式的一个实施方式中，4个匀场面板可以包括两个彼此相对的匀场面板(每个具有8个匀场路径)和两个彼此相对的匀场面板(每个具有24个匀场路径)。

实施方式可以是或者包括用于检测或测量试样中磁共振的集成装置，或者被包括在用于检测或测量试样中磁共振的集成装置中。在具体实施方式中，所述装置可以是任何形式的磁共振检测器，并且可以是或包括NMR光谱仪或NMR成像器。所述装置可以是便携的，并且可以是占用空间小于3000、小于2000或小于1000平方厘米的紧凑装置。单元可以是轻的，并且在实施方式中重量可以小于约50、40、30、25或小于约20公斤，以使其可随身携带。可以采用任何适当形式的结构和任何适当形式的控制系统，但是在具体实施方式中可以通过集成触摸屏来控制设备，并且设备可以具有任选的远程控制和数据处理特性。整个系统可以具有基本自动化的系统控制、优化程序和数据管理。

具体实施方式可以包括静态磁体，并且可以包括极片。装置可以包括任何数量的匀场板或面板。可以设有均匀性优化和控制装置、频率产生和测量装置和系统控制计算机。部件的形状、大小、尺寸结构和配置都可以通过本领域的技术人员容易理解的方式进行调整。

现在将分别地描述第一常规实施方式的具体方面。

1.匀场面板和极片

匀场面板具有导电匀场路径。在第一实施方式中，提供了4个匀场面板，其中两个的每个具有8个匀场路径并且其中两个的每个具有24个匀场路径。面板可以设置成使具有24个匀场路径的两个面板彼此相对，使具有8个匀场路径的两个面板彼此相对。在第一实施方式中，匀场面板包括多个匀场路径和具有两个基本相对或彼此间隔的端部。路径可以在连接件之间延伸，一个连接件邻近面板的第一端，另一连接件邻近面板的第二端。

匀场面板或匀场路径可以放在极片表面处或附近。在一个实施方式中，这可以通过将匀场路径放在面板(诸如电路板)上且将面板放在如图5所示的极片的表面上来实现。在图5中，匀场面板或匀场路径90放在极片80上。用于构造这些面板的非限制性实施例是电路板上的铜、铝、金或银迹线、或嵌入使用低温共火陶瓷(LTCC)处理得到的面板中的类似金属。

在第一实施方式中，每个电流路径自身不与磁场的特定的正交几何分量相关联。相反地，每个路径产生可易于计算的磁场轮廓。该计算的一部分考虑了极片上电流的影响，该电流响应于可以通过极片中的“镜像电流”放大施加电流的磁场。为了构造磁场的正交分量，电流被以一致的方式控制。

在实施方式中，该非正交不均匀性校正可以与成型的极片结合使用，该极片可以通过镜像电流效果放大匀化电流。在实施方式中，可以通过设计为抑制总体不均匀性的主几何分量的极片的突起边缘，使得必要的匀场电流小于其他方式所需要的。这可以具有减少总体功率损耗和热耗散的效果。

例如，通过图7中的路径之一流动200毫安的电流产生了如图8所示的xz平面中的磁场轮廓。x和z坐标的单位是毫米，场B_z的单位是微特斯拉。图9示出了使用图7所示的类型的两个匀场面板上电流的结合所产生的场轮廓。从附图中可以看出，一个面板位于一个极片上，一个面板位于相反的极片上。

在替代实施方式中，个别匀场面板可以包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46、47、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、58、59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70或更多个匀场路径。在替代实施方式中，可以提供多达或至少多达或大于约1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39、40或更多单独的匀场面板。在实施方式中，匀场面板组(例如相对匀场面板的对或具有3、4、5、6或更多个匀场面板的组)可以配置为彼此相对的形式、或以其他方式设置成为主磁场的匀化提供均衡的作用。

在实施方式中，通过装置产生的主磁场具有纵轴，一个或多个匀场路径可以被定向以使它们的长度基本与主磁场的纵轴相对应。

在具体实施方式中，匀场面板可以包括第一和第二基本彼此间隔或相对的端部，并且可以包括多个匀场路径，每个匀场路径大体在所述端部之间延伸。根据实施方式的磁共振检测器可以包括用于接收该设计的匀场面板的接触部，以使用于接收匀场面板第一端的一组被供电的接触器可以与一组适当设置的接地或反向偏振的接触部相配套，一组被供电的接触部可以全部被设置为形成与路径端部的传导接合和以对其施加选择的电流值。

在实施方式中，匀场面板可以是矩形的，且可以基本是平的。在替代实施方式中，匀场面板可以具有任何适当的形状，可以是单层的或多层，并且可以是平的或弯曲的。多个匀场路径在其整个长度或部分长度上可以是平行的或部分平行的。

图6示意地示出了通常编号为100的结构，其具有在端部或面板端部110和120处的接触部103、104之间延伸的平行匀场路径101。图7示出了示为200的替代结构，其具有两层路径，一层被表示为实线201，另一层被表示为虚线202。每个路径都具有端部或极231和232，其终止于面板的相邻端部220和210。

图11示出匀场面板的进一步的替代结构。图11A所示的且通常表示为300的面板包括多个路径，单独的路径通常示为330且设置在层上，为了清楚起见，在图11B、11C、11D、11E中分别示出了每层。图11E中示出了第一组路径340的每个单独路径。每个匀场路径具有相对的端部301、302，并且被定向以使路径的端部分别邻近面板端部310和320。在此设计中可以看出且如图11A和11E详细示出的，每个路径可以包括3个基本直的且平行的区域，示为332、334和336，这三个区域通过可以是方向突变或角度变化的方向变化进行表示。

在所示的设计中，可以看出图11B和11E所示的一组路径实质上是镜像的，并且图11C和11D所示的路径本质上也是镜像的。

如图11B所示的路径330从面板300右上端部361延伸到面板的左下端部362。如图11E所示，路径340从面板的左上端部341延伸到面板的右下端部342。同样地，面板300包括还从右上端部延伸到左下端部的其他路径360和从左上端部延伸到右下端部的其他路径370。应当理解，在此实施方式中，路径组设置在不同层上。

应当理解，可选设计的匀场路径可以包括1、2、3、4、5或任意多个直的或基本直的或弯曲的部分、或方向变化，并且匀场路径的该部分的相对布置和长度同样地是可变的并且可以根据用户所期望的进行调整和选择。对于在具体实施方式中以一致方式使用的匀场面板，不特别要求其具有相同的形状、尺寸、层数或设计，尽管该相似性限制对于某些应用可能是有用的。在实施方式中，对于匀场面板，不需要示出镜像或轴对称性，尽管对于某些应用这是所期望的。图14中示出了一种可能不对称的实施方式，其中通常表示为400的面板具有第一组路径410和第二组路径420，两组路径并非彼此镜像。应当理解，在实施方式中，不同组路径或这些组中的子集可以设置在不同层或平面上或者在面板400的相对侧上。

应当理解，用于将电流施加到匀场面板的路径上的接触部可以在面板端部上或其附近。现在参照图10，可以看出试样可以沿轴线插入到检测器中，并且在使用时匀场面板及其协作的检测器可以配置为使面板及其相关路径通常沿试样的插入轴线定向。

在实施方式中，匀场面板可以是或可以包括印刷电路板、低温共烧陶瓷板、柔性聚合物(例如聚酯薄膜)或氧化铝基板，或者可以包含于印刷电路板、低温共烧陶瓷板、柔性聚合物(例如聚酯薄膜)或氧化铝基板中。面板可以通过与数字或模拟控制接口的直接连接、线或带状电缆而连接至功率控制电路。供电返回路径可以引导到极片的后面或初级场外部，以提供保护试样体积免受磁场影响的措施。

根据本文所提供的教导和本领域的公知常识，对于选择的应用，本领域的技术人员将容易地选择适当的多种匀场路径和匀场面板，将采用匀场路径和匀场面板的适当几何结构，并且将容易地配置所产生的装置。

通过永磁体或电磁体产生的静态磁场可以通过铁磁极片被部分地均化，图4和图5中示出了一种可能的结构。这些极片可以是两个平行的基本矩形的板，这两个板被定向为与静态磁场的方向正交。当尤其是永磁体阵列的磁极对于集中和均化场是有用的时，因相对磁极之间的场的边缘效应，磁极的边缘可能会受到场不均匀性的影响。在实施方式中，因此极片被成形为使边缘处场的边缘现象最小化。特别是，与极片的平面70偏离距离74的突起边缘72被设计为使与基本矩形的极片的短轴有关的不均匀性最小化。这一点在图4中示出。极片80可以增加尤其沿如图2所示的水平(y)轴的磁场强度和均匀性，图2示出了试样52和极片插入的六角形腔50。如从图4B提供的视图中可以看出，极片可以是向外展开的，且可以具有在向外展开的边缘上的突起部72，以增加边缘处的场或极片的范围。如从图4A中可以看出，极片可以通常是矩形的，并且尤其是，与沿与突起部垂直的轴线相比，极片可以沿与突起部平行的轴线更长。如图4B所示的横截面，极片可以大致是梯形的，梯形的底部包括用于接收匀场面板的凹部。图4C示出了向外展开的外部边界与其突起部72的细节。

图3示出了主磁体60在通道50周围的总体布置，通道50容纳极片和试样，如图5所示，箭头62示出在该布置中每个磁体的主磁化方向。

极片的厚度和宽度的尺寸的实际范围可以基于磁场强度、均匀性需要和试样体积限制而改变。纵轴(x方向)的长度可以从试样体积的长度变化到比磁体阵列自身更长的长度。在实施方式中，极片可以层叠、或者以其他方式分成插有薄绝缘层的层，以减少极片中的涡电流。

图3示出了用于产生实施方式的初级场的磁体阵列。可以看出，多个六角形磁体聚集在一起，留下中心纵向的六角形腔，其中为了进一步参考的目的，与通道的长度垂直的二维空间表示为z和y。图2进一步示出了中心六角形通道的几何结构，具有纵轴x、与x轴垂直的两个正交轴y和z。

图5示出了磁体阵列中极片80的设置，还示出了在其向外展开的端部上的匀场面板90的设置，向外展开的端部朝向试样52。为了清楚起见，在图5中仅示出了接近检测空间的磁体阵列中的那些磁体。可以看出，极片延伸通过磁体阵列的中央腔，梯形横断面使极片在腔中纵向安装。具有相应匀场面板90的梯形的底部是彼此相对的，并且具有试样的试样体积位于梯形之间。极片可以由高磁性的相对磁导率(例如大于3000)的材料制成，以使极片的表面基本作为磁势的等势面，磁场基本与这些等势面垂直。适当的材料的某些实施例包括坡莫合金、镍铁高导磁合金、软铁(被涂敷以免生锈)、或高导磁率的钴或镍合金。在具体实施方式中，在表示极片的形状时，以下三个不受限制的标准可以是有用的：

·它们应该填充探测空间(磁体之间的空间)的实质部分，同时保留用于指定的试样体积和匀场面板的空间。这些可以增加除均化场的期望目的之外的场的强度。

·沿最接近试样体积的长边缘的极片上具有突起的边缘，以减小与导数相关的边缘效应。这些突起可以使用有限元静磁模拟来计算。

·在这些或其他实施方式的变型中，可以期望将电布线连接到匀场面板上的电流路径以及延伸到极片后面(即位于与试样体积相对的一侧)的控制电路或初级磁体组件外部。

·

2.匀场函数的控制

应当理解，可以通过在其中使用匀场电流以传统方式驱动匀场路径，从而产生匀场磁场。这可以通过具有模拟电流放大器的数模转换器来进行控制。用于调整匀场电流的微控制器可以具有200-1000uA的分辨率要求，总体范围可以是-200-200mA。在替代实施方式中，匀场电流可以具有约0-100、0-200、0-300、0-400、0-500、0-600、0-700、0-800、0-900和0-1000uA的分辨率需要求。在实施方式中，匀场电流的总体范围可以是约-200mA到约+200mA，在实施方式中可以是约-300到+300mA、-250mA到+250mA、-200mA到+200mA、约-150mA到+150mA、约-100mA到约+100mA、约-50mA到约+50mA或者大于约-300、-250、-200、-150、-100、-50、0、+50、+100、+150、+200、+250、+300或更多毫安。

在实施方式中，场均匀性可以通过分析已知的标准化合物的NMR信号形状来进行监测。还可以通过锁信号的强度来检测场均匀性，可以通过自动化程序调整匀场控制电流，自动化程序可以顺序地改变单独的路径中的电流并且监测锁信号的强度或NMR信号形状的总的变化。该程序可以通过自发式学习算法同时扩展到多个路径的成对且高阶的调整，自发式学习算法与用于多输入的过程控制的类型的可变长度持续平均值计算相似。

3.试样探针和试样体积

试样可以通过试样探测器来保持或者保持在试样管中或者可以插入到检测器中。在一个实施方式中，用于试样的指定体积是直径为5mm且长度约为12mm的圆筒，期望的磁场可以基本与该圆柱形体积的对称轴垂直。在此实施方式中，用于插入试样的空间可以是具有边长(flat-to-flat)为22mm的六角形截面且长度为125mm的棱柱体，可以通向仅通过棱柱体的端盖可获得的场校正装置。

探测器可以将试样保持在一个位置处磁体产生的主磁场的纵向定位中心中，以使试样以发送-接收线圈的长轴为中心。

图2示出了六角棱柱体的两个视图，内部示出了指定体积。为了便于讨论，在图中定义了坐标系。柱形对称的试样体积的轴线是沿x轴方向的，并且z方向中的强均匀磁场是期望的。产生该磁场的一种方式是将圆柱形磁体或具有六角形截面的棱形磁体组装成绕探测空间的样式。如果磁体被基本上均匀地且“在直径上”磁化以使每个磁体的磁化轴垂直于其主对称轴，那么磁体的适当的布置在图3中示出。像这样的磁化矢量的布置有时称为“圆柱形Halbach阵列”，对于生成阵列中的基本均匀场这是已知的。

本领域的技术人员将容易地理解实施例中所使用的试样探测器的必要设计特征和材料参数。在实施方式中和在包含质子-NMR的应用中，试样探测器或其部分可以由具有低质子浓度的材料构造。在替代实施方式中和作为替代应用，可以或需要探测器或其部分具有相关石墨、氟、磷及其他磁性共振核素的低浓度。在实施方式中，探测器可以设计为适合流体应用，其中试样经由管流入探测器和进入单元中。

试样探测器可以包括对于质子、氟、石墨、磷或其他磁性共振有源核素分别且单独地、或其两个或多个结合的方式成对地调谐的一个或多个线圈。在具体的替代实施方式，可以存在其他线圈，并且可以存在1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多个线圈。

在实施方式中，探测器调谐电容、电感或其他电抗元件可以通过SMA或BNC连接器连接到RF结构上，或者可以被电子地或手动地调节。探测器组件可以包括温度控制传感器。调谐元件可以连接到监测和调整电路，当监测和调整电路与适当的微处理器和优化程序相结合时，监测和调整电路可以使电路自动调谐。

在一个实施方式中，试样可以被限制在具有规定长度和直径的圆筒中。在另一个实施方式中，试样可以是附着于基板表面的平的试样，基板可以移动到检测区域中。对于特定应用，替代结构的范围也是可能的。在任一情况下，一种情况可以计算或估计适当的加权函数W(x，y，z)，该函数可以用于估计对NMR信号的相对作用，这是因为当通过发送/接收线圈检测该信号时在由坐标x、y、z限定的位置附近的体积单元中的旋转。此函数可用于限定当限定适当的正交匀场函数时所使用的适当的数量积。

4.发送与接收线圈

在实施方式中，将振荡磁场的脉冲施加到试样上且检测这些在试样上施加的磁场的磁效应的线圈可以具有任何期望的长度、直径及其他尺寸，其可能期望容纳给定的试样大小和形状。在具体实施方式中，该发送/接收线圈的长度可以是8-12mm，或者可以多达或小于约5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20mm，或者多达1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30或更多厘米，或者可以落入上述值的任意结合所限定的范围中。在特别选择的实施方式中，发送与接收线圈的直径可以约是8nm-9nm、9nm-10nm、10nm-11nm、11nm-12nm、12nm-13nm、9nm-11nm。在实施方式中，发送与接收线圈的直径可以至少约是1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm或更大，或者直径可以不大于约1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm或更大，在在替代实施方式中，发送与接收线圈的直径可以不大于约5.3mm，或者其直径可与大于或小于约1mm、2mm、3mm、4mm、4.1mm、4.2mm、4.3mm、4.4mm、4.5mm、4.6mm、4.7mm、4.8mm、4.9mm、5mm、5.1mm、5.2mm、5.3mm、5.4mm或更大。发送与接收线圈通常可以由铜丝或通过聚四氟乙烯、聚酰亚胺或陶瓷或其他适当的材料提供的其他适当的导体构成。

当公开发送与接收线圈的所选几何结构时，在替代实施方式中，线圈可以具有更大或更小的直径、长度或形状以适合实施方式的特殊要求，并且所有必要的尺寸和结构变化都将很容易地被本领域的技术人员制造或实现。

5.NMR磁体

图3、4和5示出了实施方式的可能的磁体布置和设计。匀场面板、极片和试样探测器组件可以插入到磁体组件中，该磁体组件产生静态NMR磁场。在一个实施方式中，磁体设计可以与Halbach磁体有关，其中可以使用由圆柱形永磁体的叠放支架形成的一系列永磁体来产生静态磁场，永磁体的圆柱形轴线是或者可以是基本彼此平行的，但是其每个磁化轴线基本与圆柱形轴线的共同方向垂直。并且圆柱形磁体位于组装到阵列中的六角形卡圈(collar)中。

在实施方式中，磁场强度可以是1.3-1.6特斯拉(56-68MHZ质子频率)，但是本领域的技术人员应该很容易地理解，在替代实施方式中磁场可以约是0-0.5特斯拉、0.5-1特斯拉、1-1.2特斯拉、1.2-1.4特斯拉、1.4-1.6特斯拉、1.6-1.8特斯拉、1.8-2.0特斯拉、2.0-2.2特斯拉、2.2-2.4特斯拉、2.4-2.6特斯拉、2.6-2.8特斯拉、或高至3T(129MHz)或更高。在特定的替代实施方式，磁体元件可以由钕铁硼材料或钴钐或任何其他适当的磁体材料制成，磁体组件支架可以由铝、聚酰亚胺聚四氟乙烯或其他材料机加工而成。

磁体组件可以被由高磁导率材料构成的外壳屏蔽，以免受外部磁干扰，并且可以被温度监测以及通过加热器、珀耳帖制冷器和/或反馈控制装置所控制。磁体可以安装在防振系统上。初级磁场可以被检测，以及可以通过使用第二光谱仪而得到调节，该第二光谱仪被调谐到与将为了磁共振特性而被检测的同位素不同的第二同位素，例如氘。系统可以监测氘共振的频率，以及调整发射器/接收器电路或场产生导体中的温度或一个或多个电流，场产生导体可以相应地任意组合以说明初级磁场的实时变化。

B.信号产生和系统控制

装置的实施方式可以包括用户界面，用于产生、切换、发送和接收射频信号的装置和方法，脉冲程序控制器，数字化并存储信号的装置，数据系统，温度管理，系统状态监视与控制，输入输出显示。在实施方式中，系统可以需要120伏功率或240伏功率，以及可以配置为使用常规的家用或商用插孔和电源来操作。

1.计算匀场电流和控制匀场电流

实施方式的一个方面是用于匀化磁场或抑制磁场中的不均匀性的方法。

在实施方式中，该方法和使用该方法的装置可以避免单独的匀场迹线或匀场线圈的使用，特定匀场迹线或匀场线圈都对应于磁场不均匀性的单独的几何分量。多个匀场路径可以具有基本共同的方向，但是可以是可操作为抑制不均匀性的多个几何分量。在具体实施方式中，匀场路径可以避免方向的逆转，可以是基本线性的，并且可以具有位于匀场面板的第一端附近的第一端和位于均场面板的第二端附近的第二端。在实施方式中，通过一个或多个匀场路径产生的或通过所有匀场路径共同产生的匀场磁场可以通过调整流过匀场路径的电流的幅值来进行调制。此外，在实施方式中，所公开的方法和装置可用于产生多个匀场磁场结构，能够调制初级磁场的多个几何分量和任何不均匀性，而不需要改变匀场路径的方向或形状或几何结构。

在其他实施方式中，匀场路径的几何结构不需要通过提供对应于待调制的每个几何分量的单独的匀场路径来进行限制。

大体上，为了有效地抑制初级场中的不均匀性的特定几何分量，匀场电流被施加到个别匀场路径，该匀场电流可以通过估计或映射通过均场路径中的单位电流产生的匀场磁场进行确定。生成的场表示为矩阵，可以是输入到Moore-Penrose伪逆分析的25 x 64矩阵(其中提供64个匀场路径，以共同地调制25个空间匀场尺寸或几何分量)。这样计算的伪逆然后被用于指示应该施加到匀场路径以产生不均匀性的期望几何分量的电流，还可以用作对磁场的校正以抑制磁场中的不均匀性。

在实施方式中，公开的装置可以产生渗透性材料中的镜像电流，并且计算适当的匀场电流的方法因此包括该镜像电流效果的修正值。

用于一组可能的匀场路径的一组匀场函数的生成：

在实施方式中，选择相对于数量积正交的一组匀场函数是非常有用的，该数量积适合于试样几何结构的期望范围。如果匀场函数是正交的，那么在替代实施方式中这可以更容易地或更快地抑制总体不均匀性。本部分说明了在可能的匀场路径的数量是c，假设试样体积为V和具有每单位电流的估计磁场B₁(x,y,z)的检测器线圈的情况下，用于可能的匀场路径的匀场函数的生成。

(a)以空间坐标(例如笛卡尔坐标x，y，z)的实值“基本”函数s开始，s≤c。这些函数p_j(x,y,z)应该是拉普拉斯方程的解，以使它们适于作为静磁场。它们还应该部分包括坐标中的低阶多项式，例如1、x、y、z、x²、xy等。它们适于作为场函数的数学展开式中的项。对于圆柱形试样，一组适当的基本函数是直至阶l＝n的球谐函数Y_l,m的实值线性组合，其中n²≤c。

(b)定义限定在试样体积中的加权函数W(x,y,z)以及函数f、g的相关数量积，例如<f|g>＝∫_VW(x,y,z)f(x,y,z)g(x,y,z)dV。在试样中的旋转被预计极大地影响了从检测器测量的信号的区域中，加权函数应该是较大的，在该影响较小的区域中，加权函数应该是较小的。适用于大致圆柱形检测器的函数类是W(x,y,z)＝aB₁(x,y,z)sinbB₁(x,y,z)，其中a和b是常数，可用于优化总体信号和标准化加权函数。

(c)使用Gram-Schmidt正交步骤，以生成s函数f_j(x,y,z)，其是s基本函数的线性组合，其相对于步骤2中定义的数量积正交。其被称为匀场函数。

产生匀场轮廓：

在实施方式中，生成一组匀场轮廓是有用的，匀场轮廓是系数表，每个表中都具有c个实数，对于给定的一组匀场路径，数目也是c。给定的匀场轮廓对应于给定的期望匀场函数。为了生成估计期望匀场函数的场函数，电流被施加到该组匀场路径上，电流与该均场函数的匀场轮廓中相应数成正比。根据本发明的方法，本部分分析了怎样产生用于数量为s的一组相应的匀场函数的一组匀场轮廓，该组匀场函数与数目为c的一组匀场路径相适应。

1.对于每个电流路径j，估计因施加到路径上的单位电流(例如1毫安)而在试样体积内的一组点处产生的磁场F_j(x,y,z)。该组点应该足够多以便于步骤2中定义的类型的数字积分的计算，并且数目至少为c。这可以通过多种方式实现：

(a)通过在电流路径上准确地且数字地集成Biot-Savart定律。

(b)通过使用(a)中的Biot-Savart定律，还将在设置在电流路径附近的任何高磁导率材料中产生的估计电流包括在内。

(c)通过使用有限元或其他电磁模拟方法的更加精细的静磁模拟。

(d)通过实际施加电流，然后以高斯计探测器测量场。

2.构造矩阵M_i,j，其输入是数量积<f_i|F_j>。下标i和j的范围是1≤i≤s和1≤j≤c。该矩阵的每列都表示投射在匀场函数上的磁场F_j。

3.构造Moore-Penrose伪逆，M_i,j的，这可以通过很多标准的计算程序包实现，例如Wolfram Research^TM的Mathematica^TM。本领域的技术人员将容易地确认和使用适当的程序包和方法。

4.生成的伪逆矩阵的列然后将包括长度为c的数字表，该数字表是应当在当向匀场路径中施加电流以产生最大紧密匹配期望的匀场函数的磁场(从最小二乘分析意义上讲)时使用的比例系数。

替代实施方式

在第一实施方式中，公开了用于在磁体系统中实现高磁场均匀性的装置。在实施方式中，装置以导电电流路径结合成型的铁磁极片。路径可以印在适当尺寸的板上以形成匀场板，或者可以直接支撑在初级磁体或极片上，或者可以利用其他方式相对于初级磁场被支撑。

在一个实施方式中，极片形状可以设计为紧密地安装在磁体组件的六角形中央腔中，磁体组件具有彼此平行且与静态场正切的平面。极片的相对平面的形状可以增加磁场的均匀性和强度。相对极片上的突起部可以被升高到与静态场平行且与磁体的长轴平行。

在实施方式中，极片可以彼此平行且与静磁场垂正交。极片的相对面可以被升高，以在计算的最优位置中沿极片的长轴与静态场的方向平行，该计算的最优位置形成宽、窄通道，均化的匀场面板可以安装到通道中以与极片平行或位于极片附近。在实施方式中，该通道或匹配的通道可以具有约1 x 18 x 150mm的尺寸，匀场板的尺寸可以设计为安装到该通道中并且自身可以具有约1 x 18 x 150mm的尺寸。在实施方式中，板可以具有不同尺寸极片范围并且可以具有厚度，以使板的暴露表面基本与通道附近的极片的表面齐平。

公开了用于抑制磁场中不均匀性的装置和方法。这可以是磁共振设备中的场，或者可以在NMR设备中，该NMR设备可以是紧凑的NMR设备。在实施方式中，匀场面板或匀场路径可以使装置的匀场元件在尺寸上减小或者被设置成期望的结构。在实施方式中，匀场元件可以包括导电电流路径，导电电流路径可以施加到匀场板或极表面上，并且导电电流路径可以仅包括一层或两层。

在实施方式中，公开了一种用于匀化第一磁场的装置，所述系统包括：两个磁极片和导电电流路径，两个磁极片是彼此相对的且位于体积的相对侧，导电电流路径与体积有关的设置，以使所述电流路径中的电流调制可用于可控制地匀场磁场。在替代实施方式中，装置重量约小于21公斤。

在替代实施方式中，装置是重量小于约15磅且光谱分辨率优于约0.1ppm的NMR设备。

在实施方式中，公开了一种磁共振组件，包括多个细长的棱柱体，每个棱柱体包括具有关于棱柱体限定的磁轴的磁体，所述多个磁体共同地确定基本均匀的磁场。

C.实施例

以下描述是实施方式的实施例并且仅仅是示例性的。

图13示出实施方式的实施例的方框图，用于测量放入试样管600中的液体试样的NMR的设备。图12示出了图13中主磁体结构610及放在主磁体结构内部的其他结构的俯视图。该主磁体结构由3个支架制成，每个支架包括18个磁体，每个磁体都是具有高度磁化的“硬”磁性材料的圆筒或六角棱柱体，一种适当的材料是磁化强度为约1.3Τ/μ₀的钕铁硼。支架结构自身可以由基本非磁性的材料(例如铝)制成。每个磁体都被几乎均匀地和在直径方向上磁化，这意味着磁体的磁化矢量垂直于其主对称轴。每个磁体的磁化矢量被设置在图3所示的“Halbach圆筒”型布置中。如图13所示，支架被一个接一个地向上叠放，每个磁体的磁化矢量定位在与其上面或下面的磁体的方向相同的方向中。该布置提供了具有六角形截面的腔(图3中的50)，腔内部的磁场约为1.2T数量级。在优选实施方式中，六角形腔和磁体在六角形的侧面到侧面上为22mm，磁体本身约38mm高，主磁体结构约130mm高。无磁性间隔件620约为3mm厚，可以放在磁体支架之间。

极片630可以插入到主磁体结构的腔中，如图13和图12示意性示出的。这些极片(在图12和图13中示意性示出的)优选地不像主磁体那样长，并且可以是约76mm长。在图4中示出了极片的优选截面形状80，在图5中示出了极片在主磁体结构的腔中的定位。极片可以由高磁导率合金制成，例如坡莫合金或Carpenter高导磁率“49”合金。极片可以具有沿极片长度的突起部，可以具有基本梯形的横截面，并且可以具有从后表面(离试样管600最远的表面)移走的材料的可变深度。如果该材料被从极片的后面移走，具有磁性材料的其他极片可以被插入到或进入所生成的空间内部，以改变极片的有效形状。这些极片与这些形状的改变的存在可以使腔的其余部分中的场高于不存在极片的情况(约1.4T)且更加均匀。

主匀场面板640放在极片630的内表面。这些面板可以是2层、3层或4层的、宽度约为18mm、长度约为160mm、厚度约为0.6mm的印刷电路板。面板在一端或两端上可以装有连接部，两端可以延伸到主磁体结构的外部。图6、7、11和13示出了印在匀场面板的层上的导体的适当设计。如图12中示意性示出的，一组辅助匀场面板642插入磁体的腔中，这些面板可以具有约8mm的宽度、约160mm的长度和约0.6mm的厚度。这些面板还可以具有如图6、7、11和13中示出的直导体(匀场路径)或锯齿形导体的图案，导体的数量等于、小于或大于主匀场面板640上的数量。在一个设计中，在每个辅助匀场面板642上有8个导体，每个主匀场面板640上有24个导体。

匀场面板上的导体连接到一组电流缓冲器650上，电流缓冲器650连接到匀场电流控制器652，在设备操作期间，通过微控制器660使用来自匀场轮廓产生器654的信息控制匀场电流控制器652。可以利用计算机软件以及数字和模拟电子器件来实现这些控制器和缓冲器。在实施例的特定实施方式中，电流缓冲电路650可以将0-600mA或更大的双向电流传送给匀场面板上的导体。

期望通过温度调节器665监测和稳定主磁体组件的温度，因此可以提供该调节器，并且该调节器可以通过微控制器电路660进行控制。微控制器还可以与射频发送/接收电路670进行接口连接，射频发送/接收电路提供射频脉冲以通过放大器电路674传送到试样线圈676中，放大器电路674通过放大器电路672从试样中接收响应信号。

微控制器电路及设备的其他部分可以与数字计算机680进行连接，数字计算机680自身可以通过线缆、wi-fi或其他接口装置与多个外围设备进行连接，例如显示单元685或其它设备(例如打印机、文件存储系统、远程控制装置等)。提供电源设备690以提供电功率，在优选实施方式中，该电源可以提供用于整个单元操作的约70W的电功率，但是在各种应用中，这可以大于或小于70W。

本文中所示的实施方式和实施例是用于说明所主张内容的常规特性，并不用于限制目的。本领域的技术人员应当理解，在不背离所公开的内容的精神和范围的情况下，怎样以各种方式为了各种应用而容易地修改和/或改造这些实施方式。权利要求书应当被理解为包括但不限于本文中的所有替代实施方式和其等同内容。本文中所使用的措辞、用语和术语仅是示例性的而非限制性的。在法律允许的情况下，本文中引用的参考文献将通过引用整体并入本文中。应当理解，本文中公开的不同实施方式的任何方面都可以在可能的替代实施方式和特征的替代组合的范围内进行组合，其所有的特征变化组合都将被理解为形成本文内容的一部分。

Claims

1.一种在包括多个匀场路径的磁共振装置内构造一组期望磁场结构的方法，所述方法包括以下步骤：

a)提供匀场面板，所述匀场面板具有第一和第二间隔的面板端部和平的部分，所述匀场面板适于包括所述多个匀场路径的至少一个子集，使得所述多个匀场路径的所述子集中的各个匀场路径分别在面板端部之间延伸，其中所述多个匀场路径的所述子集中的各个匀场路径具有共同的总体定向，并且所述多个匀场路径的所述子集被配置为在所述子集上面施加匀场电流，所述匀场电流中的每一个都在一个面板端部处进入匀场路径，并从所述一个面板端部沿着匀场路径流动并在另一个面板端部处离开匀场路径；

b)估计磁场作为在由所述多个匀场路径中的第一匀场路径中的已知匀场电流所产生的一组点处计算的空间坐标变量的函数的表示；

c)计算(i)期望磁场结构与(ii)根据步骤b)估计的磁场函数的数量积；

d)对于多对期望磁场结构和由已知匀场电流所产生的估计的匀场函数，重复步骤b)和步骤c)；

e)将步骤d)中的所述数量积的值设置到矩阵中；

f)计算所述矩阵的伪逆矩阵值；以及

g)使用所述伪逆矩阵值来确定构造所述一组期望磁场结构所需的电流。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一组点足够大以计算数值积分并且使用以下步骤导出：

h)对匀场路径进行Biot-Savart定律积分；

i)对匀场电流路径进行Biot-Savart定律积分并包括由设置在所述匀场路径附近的任何高导磁率材料产生的估计的图像电流；

j)使用有限元或其他电磁模拟方法进行静磁模拟；以及

k)施加电流，然后以高斯计探测器测量场。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述方法还包括沿着被设置为共面的、多个共同定向的单一匀场路径中的各个匀场路径施加多个单一的匀场电流，并且使用所施加的多个单一的匀场电流来抑制磁场中的不均匀性的一个以上的几何分量。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述方法还包括根据所述伪逆矩阵值同等地调制沿所述多个匀场路径中的各个匀场路径施加匀场电流。

5.用于检测暴露于主磁场的试样中的磁共振的检测器，所述检测器包括：

平的匀场面板，所述匀场面板包括多个匀场路径并具有两个端部，所述两个端部中的每一个均具有相对应的连接件，所述多个匀场路径具有在所述两个端部之间延伸的共同方向，所述多个匀场路径用于携带主要在一个方向上施加的匀场电流，其中，所述主磁场至少部分地由磁阵列产生；所述检测器包括极片，所述极片安装在所述磁阵列的中央腔中，所述极片的面彼此平行并垂直于静电场；以及所述匀场面板安装在于所述极片平行且相邻的通道中。

6.根据权利要求5所述的检测器，其中所述磁阵列适于接纳试样，所述试样沿试样体积的轴线被插入到所述主磁场中，并且所述匀场路径的定向与所述试样体积的轴线平行。

7.一种匀场面板，所述匀场面板包括印刷电路板，所述匀场面板具有第一和第二隔开的端部和平的部分，所述匀场面板包括多个匀场路径，所述多个匀场路径中的每一个在所述端部之间延伸，其中所述多个匀场路径中的各个匀场路径具有共同定向，其中，所述匀场面板位于与极片的面平行且相邻的通道中，并且所述匀场面板的端部中的每一个均包括连接件并且所述匀场面板的端部延伸至磁结构之外。

8.一种在包括多个匀场路径的磁共振装置内构造一组期望磁场结构的方法，所述方法包括以下步骤：

a)提供匀场面板，所述匀场面板具有第一和第二间隔的面板端部和平的部分，所述匀场面板包括所述多个匀场路径的子集，使得所述多个匀场路径的所述子集中的各个匀场路径分别在面板端部之间延伸，其中所述多个匀场路径的所述子集中的各个匀场路径具有共同的总体定向，并且所述匀场路径能够携带主要在一个方向上施加的匀场电流；

b)估计或映射在试样体积内的多个点处由所述多个匀场路径的所述子集中的单位电流产生的匀场磁场；

c)计算代表被估计的磁场结构的几何分量的函数的数量积以获得几何分量值；

d)对于多个磁场结构，重复步骤b)和步骤c)；

e)从步骤d)中的所述数量积的值构造矩阵；

f)计算所述矩阵的伪逆矩阵值；以及

g)使用所述伪逆矩阵值来确定为了产生最紧密匹配期望匀场结构的而施加到所述匀场路径以电流。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个点足够大以计算数值积分并且使用以下步骤导出：

h)对匀场路径进行Biot-Savart定律积分；

j)使用有限元或其他电磁模拟方法进行静磁模拟；以及

k)施加电流，然后以高斯计探测器测量场。