CN109870665A - 永磁磁场发生装置、组装方法及磁共振成像设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁磁场发生装置、组装方法及磁共振成像设备，其中，永磁磁场发生装置，包括：分别固定在气隙的两侧第一永磁体和第二永磁体，第一永磁体包括：第一中央部和多个第一外环部，主磁化方向指向磁轭，沿着第一中央部的主磁化方向，多个第一外环部的主磁化方向由相对第一中央部径向向外逐步转变至与第一中央部同向；第二永磁体包括：第二中央部和多个第二外环部，主磁化方向背离磁轭，沿着所述第二中央部的主磁化方向，多个第二外环部的主磁化方向由与第二中央部同向逐步转变至相对第二中央部径向向内。本发明提供的永磁磁场发生装置、组装方法及磁共振成像设备，减小了磁体逸散场范围的同时，减轻了现有技术中空隙的影响。

Description

永磁磁场发生装置、组装方法及磁共振成像设备

技术领域

本发明涉及永磁体设计技术领域，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) 用途的磁场。

背景技术

磁共振成像设备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。磁共振成像设备中的一个核心部件是磁体，磁体用于产生磁共振成像所必需的主磁场。

如图1所示，一般传统设计：磁体由磁轭1、永磁材料2、极板3和匀场环4组成。此种设计结构简单，组装方便，缺点是磁体周围逸散磁场范围及强度都很大，安装到使用场所后，周围的控制接近区范围较大。

申请号为US8077002B2的美国专利，提出了另外一种磁体的设计方法，如图2所示，该设计在原有磁性材料Dk1周围安装一周主磁化方向与轴向呈一定角度的磁性材料Rg1，并且该磁性材料Rg1通过其外侧的磁轭Ty2与磁轭Ty1/Ty3相连，起到传导磁场的作用，磁轭Ty2的材料及作用与磁轭Ty1/Ty3相似。这种设计虽然减小了磁体逸散场范围，提高了磁性材料的利用效率，但是，磁性材料Rg1与磁轭Ty1间有一个空隙，该空隙内磁场非常复杂，形成一个类似漩涡状的磁场空间，造成一些磁性材料承受巨大的反向磁场，不仅在磁体使用时造成磁场不稳定，而且有退磁的风险，同时会造成该空隙附近磁轭内磁场非常集中，需要在该处磁轭进行局部加厚。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种永磁磁场发生装置、组装方法及磁共振成像设备，减小磁体逸散场范围的同时，减轻空隙的影响。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种永磁磁场发生装置，包括：

对称设置的第一磁极和第二磁极，在所述第一磁极和第二磁极之间形成了气隙区域；

作为磁场源的第一永磁体，固定在所述第一磁极远离所述气隙的一侧，所述第一永磁体包括：第一中央部和多个第一外环部，所述多个第一外环部依次堆叠并环设于所述第一中央部和第一磁极外周，所述第一中央部在轴向磁化，主磁化方向指向所述第一磁轭，沿着所述第一中央部的主磁化方向，所述多个第一外环部的主磁化方向由相对所述第一中央部径向向外逐步转变至与所述第一中央部同向；

第一固定板，环设于所述第一磁极的外周，在远离所述气隙侧与所述第一磁极的端面齐平，并且，夹设于相邻两个所述第一外环部之间；

作为磁场源的第二永磁体，固定在所述第二磁极远离所述气隙的一侧，所述第二永磁体包括：第二中央部和多个第二外环部，所述多个第二外环部依次堆叠并环设于所述第二中央部和第二磁极外周，所述第二中央部在轴向磁化，主磁化方向背离所述第二磁轭，沿着所述第二中央部的主磁化方向，所述多个第二外环部的主磁化方向由与所述第二中央部同向逐步转变至相对所述第二中央部径向向内；

第二固定板，环设于所述第二磁极的外周，在远离所述气隙侧与所述第二磁极的端面齐平，并且，夹设于相邻两个所述第二外环部之间；

第一磁轭，连接在所述第一永磁体远离所述气隙的一侧；

第二磁轭，连接在所述第二永磁体远离所述气隙的一侧；

返回体，连接于所述第一磁轭和第二磁轭之间，以便整个永磁磁场发生装置能够形成闭合的磁通量回路。

进一步地，以所述第一固定板为界将所述多个第一外环部定义为第一顶部外环部和第一底部外环部，所述第一底部外环部靠近所述第一磁轭并与所述第一磁轭接触；以所述第二固定板为界将所述多个第二外环部定义为第二顶部外环部和第二底部外环部，所述第二底部外环部靠近所述第二磁轭并与所述第二磁轭接触。

进一步地，在垂直于所述第一中央部的主磁化方向的平面内，多个第一矩形块相互粘接形成所述第一底部外环部与所述第一中央部；在垂直于所述第二中央部的主磁化方向的平面内，多个第二矩形块相互粘接形成所述第二底部外环部与所述第二中央部。

进一步地，所述第一底部外环部可划分为四个依次相邻环设于所述第一中央部的四个第一区域，每一个第一区域内的第一矩形块的主磁化方向同向，相邻两个第一区域内的第一矩形块的主磁化方向垂直；所述第二底部外环部可划分为四个依次相邻环设于所述第二中央部的四个第二区域，每一个第二区域内的第二矩形块的主磁化方向同向，相邻两个第二区域内的第二矩形块的主磁化方向垂直。

进一步地，在垂直于所述第一中央部的主磁化方向的平面内，每一个所述第一矩形块的横截面的形状为正方形；在垂直于所述第二中央部的主磁化方向的平面内，每一个所述第二矩形块的横截面的形状为正方形。

进一步地，在垂直于所述第一中央部的主磁化方向的平面内，多个第一分块沿所述第一磁极的外周布置并相互连接形成所述第一顶部外环部；在垂直于所述第二中央部的主磁化方向的平面内，多个第二分块沿所述第二磁极的外周布置并相互连接形成所述第二顶部外环部。

进一步地，所述第一磁极和第二磁极均包括：平板状的极板和匀场环，所述匀场环位于所述极板与所述气隙相近的表面上并环设于所述极板的四周。

进一步地，所述极板和匀场环由高磁导率的软磁材料制成。

本发明还提供了上述永磁磁场发生装置的组装方法，包括如下步骤：

A：将所述第一磁轭、所述第二磁轭和所述返回体组装为一体；

B：将所述第一磁极、所述第一固定板和位于所述第一固定板同一侧并靠近所述第一磁极的第一外环部组装为一体，形成第一分部；将所述第二磁极、所述第二固定板和位于所述第二固定板同一侧并靠近所述第二磁极的第二外环部组装为一体，形成第二分部；

C：将所述第一分部安装至所述第一磁轭上；将所述第二分部安装至所述第二磁轭；

D：在所述第一分部和所述第一磁轭之间安装所述第一中央部和其余第一外环部；在所述第二分部和所述第二磁轭之间安装所述第二中央部和其余第二外环部。

本发明还提供了一种磁共振成像设备，包括上述的永磁磁场发生装置。

本发明提供的永磁磁场发生装置、组装方法及磁共振成像设备，通过依次堆叠的多个外环部替代了现有技术中的磁性材料Rg1和磁轭Ty2，由磁极至中央部方向，多个外环部的主磁化方向由相对中央部的主磁化方向径向逐步转变至与中央部同向，可以引导逸散的磁场回到永磁磁场发生装置中去，减小了磁体逸散场范围的同时，减轻了现有技术中空隙的影响。

附图说明

图1 是一般传统设计中永磁磁场发生装置的结构示意图；

图2 是申请号为US8077002B2的美国专利的永磁磁场发生装置的结构示意图；

图3本发明永磁磁场发生装置的结构示意图；

图4是图3中的A-A剖视图；

图5是图3中的B-B剖视图；

图6是一般传统设计的永磁磁场发生装置的磁性材料的使用效率模拟计算结果；

图7是申请号为US8077002B2的美国专利的永磁磁场发生装置的磁性材料的使用效率模拟计算结果；

图8是本发明永磁磁场发生装置的磁性材料的使用效率模拟计算结果；

图9是本发明中安装磁极时的安装结构示意图。

图中，1.磁轭，2.永磁材料，3.极板，4.匀场环；

Rg1. 磁性材料，Dk1. 磁性材料, Ty1.磁轭，Ty2.磁轭，Ty3.磁轭；

100A.磁极，100B.磁极，101.极板，102. 匀场环;

200.气隙;

300A.永磁体，301A.中央部，302A.外环部，303A.外环部，304A.外环部，305A.外环部；

300B.永磁体，301B.中央部，302B.外环部，303B.外环部，304B.外环部，305B.外环部,306B.分块，307B.矩形块，308B.矩形块；

400A.永磁体；

400B.永磁体；

500.返回体；

600.工装，601. 限位槽，602. 滑轨，603.支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

下述实施例中，示意图中的箭头表示各个部件的主磁化方向，主磁化方向为磁体内南极指向北极的方向。

一种永磁磁场发生装置，如图3所示，包括：

平行设置的磁极100A、100B，对称设置，在磁极100A、100B之间形成了气隙200, 磁极100A、100B均包括：平板状的极板101和匀场环102，匀场环102位于极板101与气隙200相近的表面上并环设于极板101的四周，极板101和匀场环102由高磁导率的软磁材料制成；

永磁体300A，作为磁场源，固定在磁极100A远离气隙200的一侧，其中，永磁体300A 包括：中央部301A和依次堆叠的外环部302A~305A，外环部302A~305A环设于中央部301A和磁极100A的外周，中央部301A的形状为圆柱状，在轴向磁化，主磁化方向指向磁轭400A，沿着中央部301A的主磁化方向，外环部302A~305A的主磁化方向由相对中央部301A的主磁化方向径向向外逐步转变至与中央部301A同向，即：外环部302A的主磁化方向为相对中央部301A的主磁化方向径向向外，外环部303A主磁化方向相对外环部302A朝中央部301A一侧偏移一角度，外环部304A主磁化方向相对外环部303A朝中央部301A一侧继续偏移一角度，最终外环部305A的主磁化方向指向磁轭400A，理想状况下（不考虑制造及安装成本），外环部302A和305A之间的外环部数量越多越好，这样，主磁化方向偏转的角度连续性高；

固定板700A，环设于磁极100A的外周，在远离气隙200侧与磁极100A的端面齐平，并且，夹设于外环部302A和外环部303A之间；

永磁体300B，作为磁场源，固定在磁极100B远离气隙200的一侧，其中，永磁体300B 包括：中央部301B和依次堆叠的外环部302B~305B，外环部302B~305B环设于中央部301B和磁极100B的外周，中央部301B的形状为圆柱状，在轴向磁化，主磁化方向背离磁轭400B，沿着中央部301B的主磁化方向，外环部302B~305B的主磁化方向由与中央部301B同向逐步转变至相对中央部301B的主磁化方向径向向内，即：外环部305A的主磁化方向背离磁轭400A，外环部304B主磁化方向相对外环部305B朝中央部301B一侧偏移一角度，外环部303B主磁化方向相对外环部304B朝中央部301B一侧继续偏移一角度，最终，外环部302B的主磁化方向为相对中央部301B的主磁化方向径向向内，理想状况下（不考虑制造及安装成本），外环部302B和305B之间的外环部数量越多越好，这样，主磁化方向偏转的角度连续性高；

固定板700B，环设于磁极100B的外周，在远离气隙200侧与磁极100B的端面齐平，并且，夹设于外环部302B和外环部303B之间；

磁轭400A、400B，分别连接在永磁体300A、300B远离气隙200的一侧；

返回体500，连接于磁轭400A、400B之间，以便整个永磁磁场发生装置能够形成闭合的磁通量回路，以大体上将磁场限制在磁极100A、100B、气隙200、永磁体300A、300B、磁轭400A、400B以及返回体500内，从而使得气隙200形成为检查目的而放置对象的成像区。

本实施例中，外环部302A~305A与磁轭400A之间无间隙，即，中央部301A与磁轭400A连接的同时，外环部305A与磁轭400A连接，这样，完全消除了现有技术中的空隙；外环部302B~305B与磁轭400B之间无间隙，即，中央部301B与磁轭400B连接的同时，外环部305B与磁轭400B连接，这样，完全消除了现有技术中的空隙。

一般情况下永磁磁场发生装置的组装步骤是：

a) 将返回体500与磁轭400A、400B组装到一起；

b) 提供磁极100A、100B，即将极板101与匀场环102组装到一起；

c) 将磁极100A、100B安装到磁轭400A、400B上；

d) 提供永磁体300A、300B；

e) 利用工装把永磁体300A、300B安装到磁极100A、100B与磁轭400A、400B之间。

本实施例中，永磁体300A、300B包括了多种不同主磁化方向的外环部，安装时，需要逐块通过旋转的方式安装到正确的位置，其过程繁琐易错，且有安全隐患。因此，需提出一种简化的设计方案，在对性能影响不大的前提下，简化永磁体300A、300B安装过程。

具体地，永磁体300B一端的具体结构如下：

如图3所示，外环部302B~305B中，外环部302B环设于磁极100B的外周，外环部303B~305B环设于中央部301B的外周，外环部303B~305B的两个端面分别与中央部301B的两个端面齐平；

如图4所示，在垂直于中央部301B的主磁化方向的平面内，多个分块306B沿磁极100B的外周布置并相互粘接形成外环部302B；如图5所示，在垂直于中央部301B的主磁化方向的平面内，多个矩形块308B相互粘接形成中央部301B，多个矩形块307B相互粘接形成外环部3023B~305B，矩形块308B和矩形块307B形状大小相同，但是主磁化方向不同。外环部303B~305B不进行圆周布置，采用近似的四个方向向心布置，矩形块308B且外形由圆形改为阶梯形，简化了安装过程，使得外环部303B~305B与中央部301B同步安装。具体地，如图5所示，外环部303B~305B可划分为四个依次相邻环设于中央部301B的四个区域，每一个区域内的矩形块307B的主磁化方向同向，矩形块307B由三块不同主磁化方向的磁体堆叠而成，此处的主磁化方向指三块磁体合成后的总的主磁化方向，相邻两个区域内的矩形块307B的主磁化方向垂直。经过对比计算采用该近似设计方案，永磁体300B中心磁场降低<1%，成像区域磁场均匀度没有明显变化。但该方案省去了外环部303B~305B的加工及安装过程，大幅降低了磁体的加工成本及安装难度，同时可以省去复杂的旋转安装工装，安装过程也更加安全快捷。

优选地，矩形块307B、308B的横截面的形状为正方形。

本实施例中，永磁体300A的结构与永磁体300B相同，此处不再赘述。

本实施例中的永磁磁场发生装置，通过依次堆叠的多个外环部替代了现有技术中的磁性材料Rg1和磁轭Ty2，由磁极至中央部方向，多个外环部的主磁化方向由相对中央部的主磁化方向的径向逐步转变至与中央部同向，可以引导逸散的磁场回到永磁磁场发生装置中去，减小了磁体逸散场范围的同时，减轻了现有技术中空隙的影响。

效果验证：

将本实施例与背景技术中的一般传统设计和申请号为US8077002B2的美国专利作对比，为方便描述，一般传统设计、申请号为US8077002B2的美国专利、本实施例分别用D1、D2、D3本表示。

首先，采用相同的重量的磁性材料，相同的返回体、磁轭、磁极，D2设计方案由于多了磁轭Ty2，此种设计重时最大，三种磁体的磁性材料的使用效率模拟计算结果如图4~6所示，由模拟计算结果可知：

中心场强(Gs)：D1为2470、D2为2800、D3为2900；

R150mm偏差(Gs)：D1为15、D2为20、D3为7.5；

10Gs线半径(mm)：D1为1600、D2为1150、D3为1200；

可以看出本实施例的设计方案D3，磁性材料的使用效率高于其它两种设计，成像区磁场均匀度也优于其它两种设计。

其中，D2中磁轭有部分区域饱和，也就是说磁性材料的性能未能完全发挥，如增加饱和部分轭铁厚度可进一步提高磁性材料使用效率。为进一步对比三种设计方法的效果，对三种设计进行修改，消除磁轭的饱和区域，在保持永磁磁场发生装置患者空间的情况下，调整磁性材料的尺寸使磁体的中心场强及R150mm范围内偏差一致，对比模拟计算结果如下：

永磁磁场发生装置的整体重量(kg)：D1为978、D2为1007、D3为940；

永磁体重量(kg)：D1为356、D2为342、D3为337；

中心磁场(Gs)：D1为2540、D2为2540、D3为2540；

从模拟计算结果可以看出，相同设计指标的情况下，本实施例提出的设计方案D3磁性材料的用量最少，永磁磁场发生装置的整体重量最低。

本发明还提供了上述永磁磁场发生装置的组装方法，包括如下步骤：

A：将磁轭400A、 400B和返回体500组装为一体；

B：将磁极100B、固定板700B和外环部302B组装为一体，形成第二分部：

第二分部的具体组装时，先将固定板700B安装至磁极100B上，再将外环部302B与组装到磁极100B上，外环部302B体积相对较小，此时磁性材料受力较小，对于安装人员来讲非常简单，这里不再详细描述其方法及步骤, 外环部302B与磁极100B之间的固定方法也有多种，例如机械螺钉连接、粘接等；

将磁极100A、固定板700A和外环部302A组装为一体，形成第一分部:具体组装方法同第二分部，此处不再赘述；

C：将第二分部安装至磁轭400B上：

外环部302B与磁极100B连接后带有一定的磁性，需要整体安装到磁轭400B上，为了防止磁性材料与磁轭400B由于相互吸引而造相互碰撞,需要借助工装进行整体安装，如图9所示，工装600包括：限位槽601、滑轨602和支架603，限位槽601与滑轨602相配合用于限制磁极100B只可沿滑轨602方向移动，防止由于磁性材料的吸力作用使之与返回体500发生碰撞，支架603作用为限定磁极100B与磁轭400B间的距离，磁极100B滑到位后可直接进行固定，不必再调整磁极100B与磁轭400B间距，第二分部的具体安装步骤为：

C1:将限位槽601安装到磁轭400B上；

C2:将支架603与滑轨602固定连接；

C3:将第二分部安装至支架603上；

C4:把滑轨602插入限位槽601内；

C5:推动支架603到达预定位置；

C6:把磁极100B固定到磁轭400B上；

C7:拆除工装600；

将第一分部安装至磁轭400A上的具体安装步骤同第二分部，此处不再赘述；

D：在第二分部和磁轭400B之间安装中央部301B和外环部303B~305B，外环部303B~305B与中央部301B加工为一致外形尺寸，并采用相同的安装方式，具体包括如下步骤：

D1:将一个矩形块307B（矩形块308B）滑动输送到磁轭400B和磁极100B之间，其中，矩形块307B（矩形块308B）的至少一个侧表面上涂胶；

D2:将矩形块307B（矩形块308B）与先前已经安装在磁轭400B和磁极100B之间的矩形块307B（矩形块308B）粘结成一体；

D3:重复步骤D1和D2直到外环部303B~305B和中央部301B安装完毕。

在第一分部和磁轭400A之间安装中央部301A和外环部303A~305A的方法与前述相同，此处不再赘述。

本实施例还提供了一种磁共振成像设备，包括上述的永磁磁场发生装置，因具备永磁磁场发生装置的全部技术特征，因此也具备全部技术效果。

本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种永磁磁场发生装置，其特征在于，包括：

对称设置的第一磁极和第二磁极，在所述第一磁极和第二磁极之间形成了气隙区域；

作为磁场源的第一永磁体，固定在所述第一磁极远离所述气隙的一侧，所述第一永磁体包括：第一中央部和多个第一外环部，所述多个第一外环部依次堆叠并环设于所述第一中央部和第一磁极外周，所述第一中央部在轴向磁化，主磁化方向指向所述第一磁轭，沿着所述第一中央部的主磁化方向，所述多个第一外环部的主磁化方向由相对所述第一中央部径向向外逐步转变至与所述第一中央部同向；

第一固定板，环设于所述第一磁极的外周，在远离所述气隙侧与所述第一磁极的端面齐平，并且，夹设于相邻两个所述第一外环部之间；

作为磁场源的第二永磁体，固定在所述第二磁极远离所述气隙的一侧，所述第二永磁体包括：第二中央部和多个第二外环部，所述多个第二外环部依次堆叠并环设于所述第二中央部和第二磁极外周，所述第二中央部在轴向磁化，主磁化方向背离所述第二磁轭，沿着所述第二中央部的主磁化方向，所述多个第二外环部的主磁化方向由与所述第二中央部同向逐步转变至相对所述第二中央部径向向内；

第二固定板，环设于所述第二磁极的外周，在远离所述气隙侧与所述第二磁极的端面齐平，并且，夹设于相邻两个所述第二外环部之间；

第一磁轭，连接在所述第一永磁体远离所述气隙的一侧；

第二磁轭，连接在所述第二永磁体远离所述气隙的一侧；

返回体，连接于所述第一磁轭和第二磁轭之间，以便整个永磁磁场发生装置能够形成闭合的磁通量回路。

2.如权利要求1所述的永磁磁场发生装置，其特征在于，以所述第一固定板为界将所述多个第一外环部定义为第一顶部外环部和第一底部外环部，所述第一底部外环部靠近所述第一磁轭并与所述第一磁轭接触；以所述第二固定板为界将所述多个第二外环部定义为第二顶部外环部和第二底部外环部，所述第二底部外环部靠近所述第二磁轭并与所述第二磁轭接触。

3.如权利要求2所述的永磁磁场发生装置，其特征在于，在垂直于所述第一中央部的主磁化方向的平面内，多个第一矩形块相互粘接形成所述第一底部外环部与所述第一中央部；在垂直于所述第二中央部的主磁化方向的平面内，多个第二矩形块相互粘接形成所述第二底部外环部与所述第二中央部。

4.如权利要求3所述的永磁磁场发生装置，其特征在于，所述第一底部外环部可划分为四个依次相邻并环设于所述第一中央部的四个第一区域，每一个第一区域内的第一矩形块的主磁化方向同向，相邻两个第一区域内的第一矩形块的主磁化方向垂直；所述第二底部外环部可划分为四个依次相邻并环设于所述第二中央部的四个第二区域，每一个第二区域内的第二矩形块的主磁化方向同向，相邻两个第二区域内的第二矩形块的主磁化方向垂直。

5.如权利要求3所述的永磁磁场发生装置，其特征在于，在垂直于所述第一中央部的主磁化方向的平面内，每一个所述第一矩形块的横截面的形状为正方形；在垂直于所述第二中央部的主磁化方向的平面内，每一个所述第二矩形块的横截面的形状为正方形。

6.如权利要求2所述的永磁磁场发生装置，其特征在于，在垂直于所述第一中央部的主磁化方向的平面内，多个第一分块沿所述第一磁极的外周布置并相互连接形成所述第一顶部外环部；在垂直于所述第二中央部的主磁化方向的平面内，多个第二分块沿所述第二磁极的外周布置并相互连接形成所述第二顶部外环部。

7.如权利要求1所述的永磁磁场发生装置，其特征在于，所述第一磁极和第二磁极均包括：平板状的极板和匀场环，所述匀场环位于所述极板与所述气隙相近的表面上并环设于所述极板的四周。

8.如权利要求7所述的永磁磁场发生装置，其特征在于，所述极板和匀场环由高磁导率的软磁材料制成。

9.权利要求1~8任一所述的永磁磁场发生装置的组装方法，其特征在于，包括如下步骤：

A：将所述第一磁轭、所述第二磁轭和所述返回体组装为一体；

B：将所述第一磁极、所述第一固定板和位于所述第一固定板同一侧并靠近所述第一磁极的第一外环部组装为一体，形成第一分部；将所述第二磁极、所述第二固定板和位于所述第二固定板同一侧并靠近所述第二磁极的第二外环部组装为一体，形成第二分部；

C：将所述第一分部安装至所述第一磁轭上；将所述第二分部安装至所述第二磁轭；

D：在所述第一分部和所述第一磁轭之间安装所述第一中央部和其余第一外环部；在所述第二分部和所述第二磁轭之间安装所述第二中央部和其余第二外环部。

10.一种磁共振成像设备，其特征在于，包括权利要求1~8任一所述的永磁磁场发生装置。