CN111627642B - 一种具有多磁极结构的磁共振成像磁体 - Google Patents

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Abstract

一种具有多磁极结构的磁共振成像磁体，包括正向铁轭(11、12)及其内侧的第一磁极头(15、16)，侧向铁轭(13、14)及其内侧的第二磁极(17、18)。第一磁极头(15、16)包含主磁极(19)和附加磁极(20)，主磁极(19)由永磁材料构成圆盘，附加磁极(20)由永磁材料构成圆环，附加磁极(20)的高度高于主磁极(19)，并且两者之间留有空隙。侧向铁轭(13、14)位于正向铁轭(11、12)之间，它们相互连接构成磁路。第二磁极(17、18)沿着水平延伸。正向铁轭(11、12)、侧向铁轭(13、14)与第一磁极(15、16)、第二磁极(17、18)共同形成成像区的均匀磁场。

Description

一种具有多磁极结构的磁共振成像磁体
技术领域
本发明涉及一种磁共振成像磁体。
背景技术
磁共振成像(MRI)是一种广泛用于医学临床诊断和医学研究的影像技术。磁共振成像系统工作时，将人体置于一个强的静磁场中，通过向人体发射射频脉冲使人体组织部分区域的原子核受到激发。射频场撤除后，这些被激发的原子核辐射出射频信号，由天线接收。由于在这一过程中加入了梯度磁场，因此通过射频信号可以获得人体的空间分布信息，从而重建出人体的二维或三维图像。
MRI设备一般可以分为四个部分：磁体系统、梯度系统、射频系统和谱仪系统。其中，磁体系统由主磁体和相应的匀场测试装置组成。主磁体是MRI设备的最重要的部件，也是MRI设备中体积重量和成本最大的部件。目前在临床磁共振成像设备中使用的磁体主要有三种：永磁磁体、常导磁体和超导磁体。其中永磁磁体的使用和维护成本低，中国是稀土资源大国，因此永磁磁共振是中国磁共振需要大力发展的一个方向。
由于磁体是磁共振成像系统的核心部件之一，一直是一个重要的研究对象。现有的MRI设备在成像区有一个非常均匀的磁场，这个均匀磁场的区域为一个球形，将成像部位置于这个球形区域后，通过扫描可以获取被成像部位的图像。显然，这种方式可以对成像部位选取任意方向的切层，具有大的扫描自由度。主磁体的主要性能指标包括磁场强度、磁场均匀度等，磁场强度越高，一般所使用的永磁材料就会越多，成本就越高，体积重量也增大。因此，如何使用较少的永磁材料来提高磁场强度及磁场均匀度是磁体设计的关键技术。
传统的磁共振成像永磁体在结构上一般都是通过一个铁轭连接两个磁极头，铁轭由低碳钢构成，因此具有良好的导磁特性，从而形成闭合磁路，并在成像空间产生静磁场。为了获得一个大的均匀区，需要在磁极头上附着一块有低碳钢构成的极板，形成一个磁极，通过调整磁极表面的形状，使得成像空间内的磁场变得均匀。由于要构成完整的磁路，磁力线必须穿过轭铁，轭铁的存在极大提高了永磁材料的利用率，但是轭铁也会影响成像空间的磁场分布，为了避免铁轭对成像空间的磁场产生不良影响，需要铁轭远离成像区。
为了减少永磁材料的应用，现有方案有不同的方法，比如改变永磁材料磁化方向，不再使所有的永磁材料的磁化方向都是沿着垂直方向，而是让部分永磁材料的磁化方向与垂直方向偏离一个角度，这样的磁路结构的确会有更高的效率。然而这种永磁材料磁化方向的变化会造成工程上的复杂性，而且其磁化方向的变化在圆周方向是不连续的，带来误差。该方案为了使得磁场均匀，依然采用了极板结构，导致重量依然很大。
基于halbach结构的磁体，围绕成像空间排布有一圈磁钢，每块磁钢的磁化方向均不同，在成像空间中形成均匀磁场。该结构虽然取消了上述的低碳钢的铁轭，但是由于其使用的永磁材料数量巨大，并且保持永磁魔环的连续磁路，总重量依然较重，且加工组装复杂。
总之，传统磁体结构由于重量过大，导致成像装置的体积重量大，成本高昂，使用受到限制。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种具有多磁极结构的永磁体。本发明重量轻、体积小，能够制作成轻量化的磁体用于实时监护成像。
本发明采用以下技术方案：
磁共振成像装置由磁体、梯度系统，射频系统，数据采集和脉冲发生器，检查床等构成。所述的脉冲发生器控制梯度系统和射频系统，产生所需的梯度磁场和射频场。梯度系统中的梯度线圈和射频系统中的射频线圈安装在磁体上。射频线圈用来激发和获取磁共振信号，梯度线圈用来对磁共振信号进行空间编码。所述的数据采集系统从射频系统中接收磁共振信号。检查床位于磁体的两磁极之间，用于承载患者。
本发明磁体包括一对正向铁轭。所述的一对正向铁轭上下相对布置，相互平行。正向铁轭由低碳钢制造，具有优良的磁性能。一对正向铁轭的内侧各有一个与正向铁轭相连的第一磁极。所述的第一磁极由永磁材料构成，与一对正向铁轭的内侧贴合。所述第一磁极产生的磁场方向与两个第一磁极的中心连线方向平行，并且在两个第一磁极之间的间隙中产生静磁场。在这对正向铁轭的两端各有一个与其垂直的侧向铁轭，侧向铁轭由低碳钢制造，具有优良的磁性能。所述的侧向铁轭位于这对正向铁轭之间，并分别与两个正向铁轭的端部连成一体。在两个侧向铁轭的内侧面中心位置，沿水平方向分别布置有第二磁极，第二磁极由永磁材料构成，沿两个侧向铁轭内侧面的中心线对称布置。一对正向铁轭和一对侧向铁轭，以及一对第一磁极和一对第二磁极构成磁路。
本发明在几个磁极所包围的空间中形成一个均匀的磁场，该均匀磁场的区域就是成像空间。磁极的材料是永磁材料。第一磁极与导磁的正向铁轭安装在一起，正向铁轭与侧向铁轭以机械方式连接在一起，共同构成导磁的通路，磁极所产生的磁通在这个导磁的通路中通过。
本发明磁体在成像空间中所产生的磁场均匀区的形状主要由几个磁极确定。
本发明的显著特征在于，磁体的磁极由永磁材料制作，第一磁极头的截面形状为圆形，第二磁极的截面形状为矩形，其中第二磁极设置在侧向铁轭的内表面的中心，沿着水平方向延伸，整个磁体的成像空间内磁场是由这四个磁极和四个铁轭共同形成，而成像空间磁场的均匀性则由这四个磁极共同作用得到。
在四个磁极中，永磁材料的磁化方向与磁极的位置有关。第一磁极头包括有主磁极和附加磁极，主磁极位于磁极中心，为圆盘状。附加磁极围绕主磁极的外围布置，为圆环状。主磁极和附加磁极的磁化方向相同，并且上下布置的两个第一磁极头的磁化方向相同，均为垂直方向，从而形成二极磁场。第二磁极的磁化方向为水平方向，将随着磁极位置的不同而变化。若第一磁极的磁化方向垂直向上，则磁体右侧的第二磁极中，上部的磁化方向向右，下部的磁化方向向左，中间磁钢的磁化方向，中心线上部向右，中心线下的部分向左；磁体左侧的第二磁极中，上部的磁化方向向左，下部的磁化方向向右，中间磁钢的磁化方向，中心线上部向左，中心线下的部分向右。
第一磁极头的截面为圆形，为了使得成像区的磁场更加均匀，附加磁极的高度高于主磁极，可以将更多的磁通汇聚于成像空间，显著改善成像空间的磁场均匀性。在主磁极和附加磁极之间有一个空气间隙，这个空气间隙也能够显著改善磁场的均匀性。
本发明的磁体结构减少了铁轭，去除了极板，采用多磁极使得磁通的利用率大大提高，特别是第二磁极的使用，阻止了第一磁极头的磁通通过铁轭短路，因此侧向铁轭可以离第一磁极边缘很近。这种磁路设计的最大好处就是降低了磁体的重量，减小了永磁材料的使用量，可大大降低磁体的成本，特别是可制作成轻量化磁体，使得整个磁共振成像系统的体积重量大大减轻，可以实现即时监护成像，具有极大的应用优势。
附图说明
图1为本发明磁体的实施例1的原理图；
图2是本发明磁体的磁极实施例一原理图；
图3是本发明磁体的磁极实施例二原理图；
图4是本发明磁体的磁极实施例三示意图；
图5是本发明磁体的磁极实施例四示意图；
图6是本发明磁体的磁极实施例五示意图；
图7为本发明磁体的可拆卸匀场板示意图；
图8为本发明磁体的一个实施例的磁场分布图。
图中：11、12正向铁轭，13、14侧向铁轭，15、16第一磁极头，17、18第二磁极，19主磁极，20附加磁极，21匀场板。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，本发明实施例的磁体上下各布置一对正向铁轭11和12，这一对正向铁轭11、12上下相对布置，相互平行。
在这两个正向铁轭11、12的内侧各有一个第一磁极头15、16，所述两个第一磁极头15、16之间的空间是成像区，磁体在此成像区产生均匀的磁场。第一磁极头15、16中心的连线方向是成像区磁场的方向，也即该磁体成像区的磁场方向是垂直的。两个正向铁轭11、12的另一端有一对与其垂直的侧向铁轭13、14，该侧向铁轭13、14位于两个正向铁轭11、12之间，与正向铁轭11、12相接，分别与两个正向铁轭11、12的端部连接成一个整体的铁轭，构成磁通路。在两个侧向铁轭内侧中间各有一个截面为矩形的第二磁极17、18，第二磁极17、18沿两个侧向铁轭13、14内侧面的中心线对称布置。该第二磁极17、18与第一磁极15、16通过铁轭共同形成成像区的均匀磁场，其中侧向铁轭13、14内侧与第一磁极头15、16边缘的距离在第一磁极头15、16半径的八分之一到二分之一之间。
图2为本发明磁体的磁极实施例一。如图2所示，此实施例共有四个磁极，第一磁极头15、16，第二磁极17、18。在第一磁极头15、16和第二磁极17、18之间的空间产生静磁场。第二磁极17、18安装在侧向铁轭内侧，截面为矩形，各由三个磁条构成。
图3为本发明磁体的磁极实施例二。此实施例共有四个磁极，第一磁极头15、16，第二磁极17、18。在第一磁极头15、16和第二磁极17、18之间的空间产生静磁场。第二磁极17、18安装在侧向铁轭内侧，截面为矩形，各由一个磁条构成。
图4为本发明磁体的磁极实施例三。第一磁极头15、16各由两个磁极构成，分别是主磁极19和附加磁极20，主磁极19为圆盘形，附加磁极20为圆环形，布置在主磁极19外周，包围主磁极19，并且，附加磁极20与主磁极19之间留有一个空隙。磁极20的高度高于磁极19，从而改善了磁场的均匀性。第一磁极头15、16的两个磁极19、20的磁化方向相同，均为垂直向上，第二磁极17、18的磁化方向则随位置的不同而变化。如图4所示，图中右侧的第二磁极17中，侧向铁轭中部以上的磁极磁化方向向右，在侧向铁轭中部以下的磁极磁化方向向左；在图4中左侧的第二磁极18中，在侧向铁轭中部以上的磁极磁化方向向左，在侧向铁轭中部以下的磁极磁化方向向右。
图5为本发明磁体的磁极实施例四，两个第一磁极头的直径为650mm，两个第一磁极15、16之间的距离为350mm，其中第一磁极头的主磁极19的直径350mm，高度25mm，附加磁极20的高度40mm。第二磁极17、18的尺寸是25mm×25mm×400mm,距离成像中心400mm。该磁体可在成像区产生0.2T的磁场，磁体重量502kg。
图6为本发明磁体的磁极实施例五，第一磁极头15、16直径350mm，两个第一磁极头15、16之间的距离为200mm，其中第一磁极头15的主磁极19直径260mm，高度32mm，附加磁极20的高度54mm。第二磁极17、18的尺寸是13mm×13mm×210mm,距离成像中心250mm。该磁体可在成像区产生0.4T的磁场，磁体重量643kg。
图7所示为本发明的可拆卸匀场板的结构，所述的匀场板21的直径与第一磁极头的附加磁极20的内径相等，因此匀场板21可以嵌入第一磁极头15、16内，用螺丝固定在正向铁轭11、12的内表面。匀场板由非金属材料制成，匀场磁片或铁片附着在匀场板上，用以调节磁场均匀性。需要调整磁场均匀性时，可将匀场板21取出，从而方便进行匀场。匀场板21上有多个同心圆，在同心圆上间隔一定角度打孔，匀场磁片或铁片固定在该孔上。本发明匀场板的结构使得匀场计算和调节更准确。
图8所示为本发明磁体的一个实施例的磁场分布图，第一磁极头15、16直径350mm，两个第一磁极头15、16之间的距离为200mm，其中第一磁极头15的主磁极19直径260mm，高度32mm，附加磁极20的高度54mm。其中侧向铁轭离第一磁极边缘距离为42mm，成像区的磁场均匀性可以达到10ppm。

Claims (8)

1.一种具有多磁极结构的磁共振成像磁体，包括铁轭、磁极头和可拆卸的匀场板，其特征在于：所述磁体的两个正向铁轭(11、12)上下相对布置，相互平行；两个正向铁轭(11、12)的内侧各有一个与正向铁轭相连的第一磁极头(15、16)，第一磁极头(15、16)与一对正向铁轭(11、12)的内侧贴合；所述第一磁极头(15、16)产生的磁场方向与两个第一磁极头的中心连线方向平行，并且在两个第一磁极头(15、16)之间的间隙中产生静磁场；所述的第一磁极头(15、16)各由两个磁极构成，分别是主磁极(19)和附加磁极(20)，主磁极(19)为圆盘形，附加磁极(20)为圆环形；附加磁极(20)布置在主磁极(19)的外周，包围主磁极(19)，附加磁极(20)与主磁极(19)之间有空隙；附加磁极(20)的高度高于主磁极(19)；主磁极(19)和附加磁极(20)的磁化方向均为垂直向上；两个正向铁轭(11、12)的两端各有一个与其垂直的侧向铁轭(13、14)，侧向铁轭(13、14)位于两个正向铁轭(11、12)之间，侧向铁轭(13、14)的两端分别与两个正向铁轭(11、12)的端部连成一体；在两个侧向铁轭(13、14)的内侧面中心位置，沿水平方向分别布置有第二磁极(17、18)，第二磁极(17、18)沿两个侧向铁轭(13、14)内侧面的中心线对称布置；一对正向铁轭(11、12)和一对侧向铁轭(13、14)，以及一对第一磁极头(15、16)和一对第二磁极(17、18)共同构成磁路；主磁极(19)、附加磁极(20)和第二磁极(17、18)共同形成所需要的磁场；第一磁极头(15、16)内嵌有一个可拆卸的匀场板(21)，匀场板(21)的直径小于第一磁极头的附加磁极(20)的内径，通过螺丝固定在正向铁轭(11、12)的内表面。
2.按照权利要求1所述的磁共振成像磁体，其特征在于：所述的正向铁轭(11、12)和侧向铁轭(13、14)由低碳钢制造，所述的第一磁极头(15、16)和第二磁极(17、18)由永磁材料构成。
3.按照权利要求1所述的磁共振成像磁体，其特征在于：所述的第二磁极(17、18)的磁化方向随位置的不同而变化；其中一个第二磁极(17)中，侧向铁轭中部以上的磁极磁化方向向右，在侧向铁轭中部以下的磁极磁化方向向左；另一个第二磁极(18)中，在侧向铁轭中部以上的磁极磁化方向向左，在侧向铁轭中部以下的磁极磁化方向向右。
4.按照权利要求1所述的磁共振成像磁体，其特征在于：所述的正向铁轭(11、12)和侧向铁轭(13、14)为整体铸造或分体加工后组装成整体。
5.按照权利要求1所说的磁共振成像磁体，其特征在于：侧向铁轭(13、14)内表面的第二磁极(17、18)沿着内表面的中心线对称布置，中心线两边的磁化方向相反。
6.按照权利要求1所述的磁共振成像磁体，其特征在于：所述的侧向铁轭(13、14)的内侧与第一磁极头(15、16)边缘的距离为第一磁极头(15、16)半径的1/8～1/2。
7.按照权利要求1至6任一项所述的磁共振成像磁体，其特征在于：所述磁体的第一磁极头(15、16)之间的距离为350mm，两个第一磁极头(15、16)之间的空间中产生0.2T的均匀磁场；磁体重量为502公斤。
8.按照权利要求1至6的任一项所述的磁共振成像磁体，其特征在于：所述磁体的第一磁极头(15、16)之间的距离为200mm，第一磁极头(15、16)之间的空间中产生0.4T的均匀磁场；磁体重量为643公斤。
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