CN109696644A - 一种用于磁共振成像的磁体 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于磁共振成像的磁体。本发明的磁体在轴向磁取向的中间磁体第一磁性材料外侧采用与第一磁体材料磁取向呈一定夹角的第二磁体材料和第三磁性材料组成圆周排列的磁性材料，由于该夹角增大磁性材料的效率会增大，成像区磁场强度更强，在使用相同重量磁性材料的情况下获得更高的场强，从而可以减轻磁铁的重量；同时也可减轻轭铁的重量。本发明的用于磁共振成像磁体，可拓展磁共振的应用领域。

Description

一种用于磁共振成像的磁体

技术领域

本发明涉及磁共振成像领域，具体而言，涉及一种用于磁共振成像的磁体。

背景技术

磁共振成像(MRI)设备是上世纪最伟大的发明之一，几乎能用于人体各个部位的扫描，对人体没有电离辐射损伤，软组织结构显示清晰，可用于全身各部位疾病诊断。

磁体是MRI设备中的一个核心部件，用于产生磁共振成像所必需的主磁场。目前在临床磁共振成像设备中使用的磁体有三种：永磁磁体、常导磁体、超导磁体。

其中永磁磁体运营及维护成本低，制造成本也相对较低。永磁磁体通常设计为开放式结构，如C型、双柱型、四柱型等。由于磁性材料性能的限制，永磁磁体通常重量较重，而且患者空间较超导磁体小，通常在400mm左右。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种用于磁共振成像的磁体，旨在解决现有的问题。

本发明提出了一种用于磁共振成像的磁体，包括轭铁，所述轭铁的上部内表面设有上磁性材料，所述轭铁的下部内表面设有下磁性材料，上磁性材料、下磁性材料相对的内表面上分别设有上、下极板，上、下极板间形成成像空间，所述上、下磁性材料，分别包括第一磁性材料、第二磁性材料和第三磁性材料，其中第二磁性材料和第三磁性材料排列呈弧形形成圆周，第一磁性材料平铺于所述圆周内部；

所述第一磁性材料的磁取向为轴向，第二磁性材料的磁取向与所述轴向成α夹角，第三磁性材料的磁取向与所述轴向成β夹角；所述上、下磁性材料的第一磁性材料的磁取向相同；

当所述上、下磁性材料的第一磁性材料的磁取向为轴向向上时，所述上磁性材料的第二磁性材料和第三磁性材料的磁取向均为沿所述轴向向上方向发散，所述下磁性材料的第二磁性材料和第三磁性材料的磁取向为沿所述轴向向上方向聚拢；

当所述上、下磁性材料的第一磁性材料的磁取向为轴向向下时，则所述上磁性材料的第二磁性材料和第三磁性材料的磁取向均为沿所述轴向向下方向聚拢，所述下磁性材料的第二磁性材料和第三磁性材料的磁取向为沿所述轴向向下方向发散。

进一步地，上述磁体中，所述第二磁性材料、第三磁性材料形成的圆周分别高于上、下极板。

进一步地，上述磁体中，所述轭铁包括平面轭铁和圆周轭铁，所述平面轭铁位于所述第二磁性材料和第三磁性材料形成的圆周底面，所述圆周轭铁包裹于所述圆周外侧。

进一步地，上述磁体中，所述磁性材料还包括第四磁性材料，其位于第一磁性材料和极板之间，且围绕第二磁性材料和第三磁性材料的所形成圆周的内侧排列一圈，磁取向与第一磁性材料相同。

作为上述技术方案的进一步地改进，上述磁体中，所述磁体上、下极板相对的内表面上还分别设有上、下匀场环，所述上、下匀场环分别在沿患者进出方向具有对称的两个贯通缺口，所述缺口的高度小于等于匀场环高度，所述缺口的厚度等于匀场环的厚度；所述缺口对应位置的轭铁，上、下磁性材料也相应空缺形成缺口。

进一步地，上述磁体中，所述α>β。更进一步地，所述90°>α>β>45°。

进一步地，所述匀场环还设有弧状的补偿匀场条，其贴合于所述缺口及缺口的两侧的匀场环内壁。更进一步地，所述补偿匀场条所在弧的角度≤90°。

进一步地，上述磁体中，所述上、下极板相对的内表面上分别设有同心的补偿环和拉伸环，所述补偿环和拉伸环均为凸环，其中补偿环位于拉伸环内部，处于所述内表面的中间位置；拉伸环位于所述内表面边缘，靠近匀场环；且补偿环和拉伸环之间还设有凹槽。

本发明提供的用于磁共振成像磁体，通过优化磁体结构设计，在轴向磁取向的中间磁体第一磁性材料外侧采用与第一磁体材料磁取向呈一定夹角的第二磁体材料和第三磁性材料组成圆周排列的磁性材料，由于该夹角增大磁性材料的效率会增大，成像区磁场强度更强，在使用相同重量磁性材料的情况下获得更高的场强，从而可以减轻磁铁的重量；同时也可减轻轭铁的重量。本发明的用于磁共振成像磁体，可拓展磁共振的应用领域。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为现有磁共振成像磁体结构示意图之一；

图2为现有磁共振成像磁体结构示意图之二；

图3为现有磁共振成像磁体结构示意图之三；

图4为本发明实施例提供的用于磁共振成像的磁体之一；

图5为本发明实施例提供的磁体材料之一的俯视图；

图6A为本发明实施例提供的磁体材料磁取向角度示意图之一；

图6B为本发明实施例提供的磁体材料磁取向角度示意图之二；

图7为本发明实施例的提供的用于磁共振成像的磁体之二；

图8为本发明实施例的提供的补偿匀场条的角度示意图；

图9为本发明实施例提供的磁体结构效果示意图；

图10为本发明实施例提供的磁体材料之二俯视图；

图11为本发明实施例提供的用于磁共振成像的磁体之三；

图12为本发明实施例提供的极板结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参考图1-3，为目前常见的几种核磁工作成像设备的永磁磁体结构，其中图3为现有的四柱形磁体结构示意图。永磁体结构主要包括轭铁1’，轭铁的上部内表面设有上磁性材料21’，下部内表面设有下磁性材料22’，上磁性材料21、下磁性材料22相对的内表面上分别设有上极板31’、下极板32’，上、下极板间形成成像空间8’，轭铁1’主要作用为导通上、下两部分磁性材料21’和22’，使之形成回路，也起到支撑两个磁极的作用。上磁性材料21’、下磁性材料22’用于提供磁共振所用的基础磁场，一般为钕铁硼、铁氧体等合金材料。上极板31’、下极板32’主要作用为支撑固定磁性材料，且使成像区域的磁场更均匀，形状一般为一块平板形式。进一步地，上、下极板的相对的内表面上还分别安装有上匀场环41’、下匀场环42’，匀场环一般为环状，主要作用为扩大均匀区范围，使磁体成像区内磁场不聚集在中心，而是形成一个磁场较为均匀的空间。

两个极板间磁场均匀度达到成像需求的空间区域称为成像区8’，一般为球形或椭球形。两个匀场环之间的空间为磁共振扫描患者可用空间，可称作患者空间。但距离磁场中心较远的区域在实际使用时价值不大，成像扫必须要让成像部位空全包括在成像区内，因此可把包维成像区的圆柱形区或椭圆形区域称为可用患者空间7’。

依据现有的设计经验，按照图1-2所示的方式设计磁体，磁场0.3T，患者空间Φ440mm，成像区Φ420mm*Φ420mm*Φ380mm（X*Y*Z)磁体重量约为16吨。如果可用患者空间增加到Φ710mm，磁场保持不变，磁体重量将达到60吨以上，为制造和使用带来很大的不便。

参见图4，为本发明实施例提供的一磁体的结构示意图，图中示出了磁体下半部分的半剖图，可以看出磁体包括轭铁1，轭铁1下部内表面设有下磁性材料22，下磁性材料22的内表面上设有下极板32。

进一步结合图5，上磁性材料21、下磁性材料22分别包括第一磁性材料2-1，第二磁性材料2-3，第三磁性材料2-4，其中第二磁性材料2-3和第三磁性材料2-4排列呈弧形形成圆周，第一磁性材料2-1平铺于圆周内部。

上磁性材料21、下磁性材料22的磁取向如图6A，6B所示，第一磁性材料2-1的磁取向为轴向，第二磁性材料2-3的磁取向与轴向成α夹角，第三磁性材料2-4的磁取向与轴向成β夹角；上磁性材料21、下磁性材料22的第一磁性材料2-1的磁取向相同。

如图6A，当上磁性材料21、下磁性材料22的第一磁性材料2-1的磁取向为轴向向上时，上磁性材料21的第二磁性材料2-3和第三磁性材料2-4的磁取向均为沿轴向向上方向发散，下磁性材料22的第二磁性材料2-3和第三磁性材料2-4的磁取向为沿轴向向上方向聚拢，从而上磁性材料21、下磁性材料22的磁场形成闭合回路。

如图6B，当上磁性材料21、下磁性材料22的第一磁性材料2-1的磁取向为轴向向下时，则上磁性材料21的第二磁性材料2-3和第三磁性材料2-4的磁取向均为沿所述轴向向下方向聚拢，下磁性材料22的第二磁性材料2-3和第三磁性材料2-4的磁取向为沿轴向向下方向发散，从而上磁性材料21、下磁性材料22的磁场形成闭合回路。

由于第一磁性材料2-1平铺于圆周内部，第二磁性材料2-3、第三磁性材料2-4绕第一磁性材料2-1的外周排列呈圆形，其磁取向分别与第一磁性材料2-1的磁取向在空间任意朝向成夹角α、β，该夹角α、β增大磁性材料2的效率就会增大，在使用相同重量磁性材料的情况下获得更高的场强，从而可以减轻磁铁的重量；同时还可以减轻轭铁1的重量，从而在相同重量的情况下，可获得更大的患者空间。但磁场沿X轴及Y轴衰减速度会增大，这将造成成像区范围减小，因此α、β的角度需要通过计算进行优化设计。

本发明实施例磁体的上磁性材料21、下磁性材料22的各个组成部分，优选由若干小块组合而成，并进一步优选地，这些小磁体为矩形磁块，以便于加工，同时也利于增加场强。

进一步地，为了更好的起到聚磁效果，提高磁场强度，产生均匀度较好的磁场，下磁性材料22的第二磁性材料2-3、第三磁性材料2-4形成的圆周高于下极板32。同理，上磁性材料21的第二磁性材料2-3、第三磁性材料2-4形成的圆周也高于上极板。

进一步地，为了更好的将第二磁性材料2-3、第三磁性材料2-4的磁场导入到轭铁1内，起到更好的支撑作用，轭铁1设计为包括平面轭铁1-1和圆周轭铁1-2，圆周轭铁1-2不仅可以是使得第二磁性材料2-3、第三磁性材料2-4的磁性作用得到充分发挥，另外圆周轭铁1-2还可以减小磁场的泄漏，磁场是可以在空气中传播的，以0.3T 磁体为例，可缩小5Gs安全线半径约30%。

参照图7-10，本发明另一实施例的磁体结构示意图，同样也是给出了下半部分的半剖图。该磁体的下磁性材料22还包括第四磁性材料2-2，其位于第一磁性材料2-1和极板32之间，且围绕第二磁性材料2-3和第三磁性2-4材料的所形成圆周的内侧排列一圈，磁取向与第一磁性2-1材料相同。这样可以更好的提高磁体磁场强度，可相对减小磁体重量；以0.3T磁体为例，使用第四磁性材料2-2比不使用磁场增加约80Gs。更进一步地，第四磁性材料2-2近似分为多个矩形块拼接而成，可增加场强。

进一步地，磁体上、下极板相对的内表面上还分别设有上匀场环、下匀场环42，上、下匀场环分别在沿患者进出方向具有对称的两个贯通缺口，缺口的高度小于等于匀场环高度，缺口的厚度等于匀场环的厚度；缺口对应位置的轭铁1，上磁性材料21、下磁性材料22也相应空缺形成缺口。

这样在磁体重量不便的情况下，有效增大了磁体的有效患者空间，相对于完成扩大匀场环间距的方式，磁体重量将有很大程度的降低。该缺口形状没有特别要求，可以是弧形、长方形、正方形等，为了便于加工，实现，优选为台阶状，台阶可做成一级或多级，级数越多匀场环减少量越少，对磁场影响也越小，反之对磁场影响越大，但是级越多，与之配合的零件加工复杂程度越大，因此需要根据实际情况来确定台阶级数。

带缺口匀场环的使用在扩大可用患者空间的同时可能会造成磁体成像区在Y方向尺寸缩小，且X方向与Y方向的磁场成像区范围不一致。解决这个问题，可以通过两个方面来实现。

一方面，可以设置α>β，这样可以起到补偿由于匀场环缺口带来的X/Y轴方向不一致现象。优选地，90°>α>β>45°。

另一方面，可以选择增加补偿匀场条4-2消除影响，如图8所示，补偿匀场条4-2为弧状，贴合于缺口及缺口的两侧的匀场环4内壁。补偿匀场条4-2的角度一般不会超过90度，否则会影响补偿效果。理论上补偿匀场条4-2足够宽就可以完全补偿由于匀场环缺口带来的不一致现象，但是由于匀场环与极板形成像凹坑内还需要安装磁共振成像用的梯度线圈，因此不可能无限增大补偿匀场条的宽度，因此此处需先保障梯度线圈的安装，不能完成补偿的部分使用其它设计进行补偿。

进一步地，为了解决磁场水平方向衰减快导致的磁体成像区范围缩小问题，通常情况下，该问题可通过扩大磁体直径的办法加以改善，但势必造成磁体重量大幅增加。而极板位于患者空间的两侧，与成像区距离最近，对成像区的影响非常大，通常设计为平板式结构，经过分析发现改变极板的形状对成像区影响非常大，因此可以利用这一特点扩大磁体成像区范围，使之满足磁共振成像要求成像区内磁场误差在60PPM左右的要求，从而相对减小磁体的重量，增大患者可用空间。

具体地，参照图11-12，本发明又一实施例的磁体结构示意图，该磁体在上、下极板相对的内表面上分别设有同心的补偿环6和拉伸环5，图中仅示出了下极板32，补偿环6和拉伸环5均为凸环，其中补偿环6位于拉伸环5内部，处于下极板32内表面的中间位置；拉伸环5位于下极板内表面边缘，靠近匀场环4；且补偿环6和拉伸环5之间还设有凹槽。拉伸环5作用是把磁体中心的磁场拉出来，降低磁体中心的磁场同时增大成像区内靠近拉伸环区域的磁场，可扩大磁体成像区范围。补偿环6用于补偿由于拉伸环5的拉伸作用造成的成像区中心部分磁场低的问题。极板3上凹槽的设计用于消除两个环间由于叠加效应带来的磁场高点。这三部分共同作用就可以即扩大成像区范围又可以保持原有磁场均匀度不被破坏。

拉伸环5及补偿环6尺寸及极板3上凹槽的位置、尺寸需要根据具体磁体及需要进行优化设计确定，一般情况下拉伸环5高度大于补偿环6。补偿环6需要进行防涡流产生的设计，采用硅钢或非晶叠片结构，防止由于补偿环6产生附加涡流，影响磁共振系统成像质量。

拉伸环5、补偿环6及它们之间凹槽的数目可以是一个或者多个，具体根据尺寸和加工需求来确定。

在本发明一具体的实施例中，其磁体结构参考图11-12，设计磁体强度0.3T，可用的患者空间直径710mm。采用采用四柱式结构，开放角度约80%。

其中，轭铁1，上、下极板，上、下匀场环，补偿匀场条4-2均由高导磁材料制成，磁导率越高的材料磁体整体重量越低，材料成本越高，本实施例采用电工纯铁材料。

第一磁性材料2-1磁取向方向为垂直向上，第二磁性材料2-3磁取向与垂直向上方向呈70°夹角。第三磁性材料2-4磁取向与垂直向上方向呈60°夹角。为方便加工装安装，圆周轭铁1-2，第二磁性材料2-3，第三磁性材料2-4设计为都设计分割成矩形小块，围绕匀场环3拼成一个近似半圆弧形状，经过优化计算：单侧磁极，第二磁性材料2-3分为34块，第三磁性材料2-4分为8块。第一磁性材料2-1,第二磁性材料2-3，第三磁性材料2-4三种取向磁性材料重量比例约为10:7.5:1.5。同样道理第四磁性材料2-2也近似分为多个矩形块拼接而成，可增加场强约80Gs。

匀场环4缺口采用一级阶梯设计，缺口高度约为匀场环高度的4/5，即缺口处剩余匀场环高度与匀场环本身高度的比例约为1：4。补偿匀场条4-2用于补偿由于匀场环高度不一致带来的圆周方向磁场误差，补偿匀场条4-2厚度15mm，角度为90度。

上、下极板上，拉伸环5、补偿环6和凹槽均为一个，其中拉伸环5厚度10mm，宽度为50mm，补偿环6厚度为6mm，宽度为100mm，材料选用硅钢片叠片材质，拉伸环5和补偿环6之间的凹槽深10mm，宽度10mm，位于偏向补偿环6约25mm位置。

使用该极板设计，具体参考图12，成像区域内磁场下降点离磁场中心位置距离由约200mm，扩大到约230mm，最终设计出的产品，成像区范围420mm*420mm*380mm（X*Y*Z)，磁体性能与传统磁体相当，整体重量小于17吨。

本发明的磁体设计对磁体类型没有要求，可根据实际应用场景不同调整为双柱，C形等其它结构形式，只需要考虑机械强度的变化，对磁场设计结果影响不大。

以上，结合本发明的优选实施例对本发明的磁共振磁体进行说明，可以看出，本发明的技术方案通过优化磁体结构设计，在轴向磁取向的中心磁体材料外侧采用与中心磁体材料磁取向呈一定夹角的磁体材料组成圆周排列的磁性材料，由于该夹角增大磁性材料的效率会增大，在使用相同重量磁性材料的情况下获得更高的场强，从而可以减轻磁铁的重量；同时也可减轻轭铁的重量，从而在同样重量条件下，可以获得较大的患者看空间；进一步还通过优化匀场环、极板结构等，进一步使磁共振设备在保证患者空间及开放式的特点前提下，具有相对较轻的重量，可大大拓展磁共振的应用领域。

以上只是结合永磁磁体对本发明进行了说明，但本发明同样适用于超导或常导开放式磁体。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于磁共振成像的磁体，包括轭铁，所述轭铁的上部内表面设有上磁性材料，所述轭铁的下部内表面设有下磁性材料，上磁性材料、下磁性材料相对的内表面上分别设有上极板和下极板，上、下极板间形成成像空间，其特征在于：

所述上磁性材料、下磁性材料，分别包括第一磁性材料、第二磁性材料和第三磁性材料，其中第二磁性材料和第三磁性材料排列呈弧形形成圆周，第一磁性材料平铺于所述圆周内部；所述第一磁性材料的磁取向为轴向，第二磁性材料的磁取向与所述轴向成α夹角，第三磁性材料的磁取向与所述轴向成β夹角；

所述上磁性材料、下磁性材料的第一磁性材料的磁取向相同；

当所述上磁性材料和下磁性材料的第一磁性材料的磁取向为轴向向上时，所述上磁性材料的第二磁性材料和第三磁性材料的磁取向均为沿所述轴向向上方向发散，所述下磁性材料的第二磁性材料和第三磁性材料的磁取向为沿所述轴向向上方向聚拢；

当所述上磁性材料和下磁性材料的第一磁性材料的磁取向为轴向向下时，则所述上磁性材料的第二磁性材料和第三磁性材料的磁取向均为沿所述轴向向下方向聚拢，所述下磁性材料的第二磁性材料和第三磁性材料的磁取向为沿所述轴向向下方向发散。

2.根据权利要求1所述的磁体，其特征在于：所述第二磁性材料、第三磁性材料形成的圆周分别高于上、下极板。

3.根据权利要求1所述的磁体，其特征在于，所述轭铁包括平面轭铁和圆周轭铁，所述平面轭铁位于所述第二磁性材料和第三磁性材料形成的圆周底面，所述圆周轭铁包裹于所述圆周外侧。

4.根据权利要求1所述的磁体，其特征在于，所述磁性材料还包括第四磁性材料，其位于第一磁性材料和极板之间，且围绕第二磁性材料和第三磁性材料的所形成圆周的内侧排列一圈，磁取向与第一磁性材料相同。

5.根据权利要求1-4任一项所述的磁体，其特征在于，所述磁体上、下极板相对的内表面上还分别设有上、下匀场环，所述上、下匀场环分别在沿患者进出方向具有对称的两个贯通缺口，所述缺口的高度小于等于匀场环高度，所述缺口的厚度等于匀场环的厚度；所述缺口对应位置的轭铁，上、下磁性材料也相应空缺形成缺口。

6.根据权利要求5所述的磁体，其特征在于，所述α>β。

7.根据权利要求6所述的磁体，其特征在于，所述90°>α>β>45°。

8.根据权利要求5所述的磁体，其特征在于，所述匀场环还设有弧状的补偿匀场条，其贴合于所述缺口及缺口的两侧的匀场环内壁。

9.根据权利要求5所述的磁体，其特征在于，所述补偿匀场条所在弧的角度≤90°。

10.根据权利要求1-4任一项所述的磁体，其特征在于，所述上、下极板相对的内表面上分别设有同心的补偿环和拉伸环，所述补偿环和拉伸环均为凸环，其中补偿环位于拉伸环内部，处于所述内表面的中间位置；拉伸环位于所述内表面边缘，靠近匀场环；且补偿环和拉伸环之间还设有凹槽。