CN1121801A - 高均匀度无涡流平板式核磁共振成像仪用永磁磁体 - Google Patents

Abstract

一种高均匀度无涡流平板式核磁共振成像仪用永磁磁体。包括平行放置的上下极板、无涡流垫板、永磁层、堵漏磁块、温控装置、螺旋调整机构和C型或对称型磁轭，上下极板的内侧面各固结一无涡流平面垫板，极板背面分别填充上下永磁层，再通过磁轭将上下永磁层连为一体，磁体内形成开放式空间，温控装置位于磁体表面，堵漏磁块安装在磁体端部，螺旋调整机构可使堵漏磁块上下移动。其工作空隙大，具有高均匀度、稳定磁场，操作方便。

Description

高均匀度无涡流平板式核磁共振成像仪用永磁磁体

本发明涉及一种新型的医学诊断设备——核磁共振成像仪用的永磁磁体，特别涉及一种开放式的高均匀度无涡流平板式永磁磁体。

核磁共振成像(MRI)是80年代才出现的高档医学诊断设备。与X线、CT相比，核磁共振成像仪有很多优点，核磁共振成像仪对人体没有X放射线的伤害，可获得清晰的软组织图像，可以无刨伤地获得完整的解剖学信息，尤其是可以发现早期肿瘤、癌变，特别是对脑血管、神经系统等疾病更为敏感。近期，高场核磁成像，能进行磷、氮等多核信号的成像，可提供人体新陈代谢，生命过程的信息，因此，核磁共振成像仪越来越受到国际医学界的高度重视。

现行的核磁共振成像仪的磁体分为超异型、电磁型和永磁型三种。其中超导型磁体是一种用铌钛合金或铌3锡化合物超导材料制成的线圈，这种超导材料只有冷却到-269℃时，才能维持实用的超导状态。为了达到这样的超低温，必须把超导线圈放在杜瓦瓶的低温容器中，而杜瓦瓶是靠液氮获得超低温的。因此，要维持超导型线圈的正常运行，需要大量的液氮，从而使得运行费用十分昂贵。电磁性磁体实际上也是一种有阻线圈，线圈通电形成磁场，为了获得高稳定磁场，就需要有一个电流变化幅度不超过百万分之几的高稳定度的供电设备。目前在国内制造如此高稳定度的供电装置难度较大，且价格比较昂贵。永磁型磁体有两种：一种是由框架式或口字形永磁体和磁轭组成；另一种永磁体则是用永磁材料堆成六角形制成，病人只能沿磁体的轴向进入中部空间进行检查，从其他方向则不能进入，从这个意义上讲，现行的永磁体是封闭式的。永磁型核磁共振成像仪，不需要液氮，运行维修比较简单，费用低，适合我国国情，在国内受到广泛的欢迎，我国已从美国的Fonar公司引进一种β3000MRI系统的永磁磁体，磁体成框式。这种永磁磁体十分庞大和笨重，重量达96吨，其中永磁材料(铁氧体)为45吨(见图)，需要安装在一间很大的房子里，其价格很昂贵，不能适应临床诊断治疗需要。德国Siemens公司生产的P-8型0.2Tesla MRI系统的永磁磁体体积小，在磁路设计中有独到之处，不采用铁磁材料做磁路，完全由永磁材料堆砌而成，这类磁体的特点是重量轻，成本低，然而无论是美国Fonar公司生产的框式永磁磁体，还是德国Sienmens公司生成的永磁磁体，其结构都是封闭式的，只能沿轴向进入诊断病床，也就是说只能沿一维轴向移动，使用起来不方便，治疗空间有限，磁场均匀度不高，磁场强度也容易漂移。

本发明的目的是提供一种开放式的大诊断治疗空间，并可使病床在其内的二维平面进行移动，高均匀度、高稳定度磁场具有无涡流垫板的核磁共振成像仪用的永磁磁体，以便克服现有技术的缺点，从而满足医学临床诊断治疗的需要。

本发明采取的技术方案如下所述：

它由一对高精度、高光洁度，高平行度放置的上下极板2、无涡流平面垫板5、永磁体3、堵漏磁块6、温控装置9、堵漏磁块调节机构10和C型磁轭4或对称型磁轭4组成。上述的两块高平行度放置的上下极板相对的内侧面各固结一无涡流平面垫板，此上下极板背面分别充填上下永磁体3，再通过C型磁轭或对称型磁轭将所述的上、下永磁体连为一体，从而使磁体内部空间形成可在二维平面移动的大工作气隙。上述的堵漏磁块位于极板端面。上述的温控装置9安装在磁体外部，它由温度探头9₁、温度调控板9₂、无感加热器9₃、测温控制器9₄组成，其中温度调控板安放在磁体表面上，无感加热器放入温度调控板的导线槽内，温度探头位于温度调控板表面，温度探头与测温控制器的测温端相连，测温控制器的控温端则与无感加热器连接。上述的螺旋调整机构安装在堵漏磁块的一侧，用于调整堵漏磁块的上移或下降。

本发明的磁路结构是闭合的，在工作空间的磁场极性指向上方，图1中的1为均匀区，供成像用，通过无涡流垫板，磁通量进入高平行度的极板，这对上下板板的加工精度要求很高，安装水平度也很精确，以确保高的磁场均匀度。磁通量通过极板向上进入上永磁体，本发明的永磁体是用高磁能积、高矫顽力、高剩磁的永磁材料制成。磁通量再向上进入磁轭，由于磁轭具有高导磁率，所以磁阻很小，构成了一个好的闭合磁路，沿着此闭合磁路，磁通量随之再进入下永磁体，通过下极板、下无涡流极板返回到工作磁场空间，如图1、图2所示。

由上所述，本发明具有如下优点：

1、开放式，具备大的治疗空间，能够使病床随意在二维平面移动，病人的任何被查部位都可以放置在核磁共振成像仪的中心检查位置，能最大限度地满足医学诊断治疗的使用要求，这是目前封闭式永磁磁体无法与之相比的。

2、本发明永磁磁体具有高均匀度磁场，无涡流极板，适合快速扫描成象，诊断精度高。

3、结构简单，使用维护方便、容易，运行费用低，特别适合我国国情。

4、我国是稀土大国，本发明所采用的永磁体材料NdFeB制成的永磁体具有很好的性能价格比，在国际市场上有较好的竞争能力。

本发明的实施例结合附图详细说明如下：

图1是本发明做成C型开放式结构示意图。

图2是本发明做成对称型开放式结构示意图。

图3是本发明方形垫板面示意图。

图4是本发明八角形垫板面示意图。

图5是本发明所采用的永磁材料NdFeB的退磁曲线。

图6是本发明采用带有螺旋调整机构的垂直式堵漏磁块示意图。

图7是本发明采用带有螺旋调整机构的垂直、倾斜式混合堵漏磁块示意图。

图8是本发明中磁通量示意图。

图9是本发明采用的温控装置结构示意图。

图10是Fonar公司生产的β3000永磁磁体结构示意图。

图11是Siemens公司生产的P-8型永磁磁体结构示意图。

实施例1：C型结构

工作磁场强度             2000G

永磁体材料               NdFeB

剩磁Br                   11.2KG

磁感矫顽力bHe            10.5KOe

最大磁能积(BH)max        30MGOe

上下无涡流垫板面间距h    580mm

上下无涡流垫板宽度d      1050mm

主磁块高度hM             70mm

磁体高度H                1410mm

磁体宽度W                1210mm

磁体深度D                1920mm

极板和无涡流垫板能做成方形(图3所示)或八角形(图4所示)为保持在大范围(Φ360mm球体内或420mm×360mm椭球内)有高的均匀度，极板面的平面度和加工精度也很重要。极板装配的精确度十分重要，以球体为例，按照Φ360中±20PPm要求，安装极板尺寸的偏差应非常小，经计算该偏差不应超过0.023(580mm×40PPm＝0.023mm)，即偏差d＜0.025mm。极面的平面度也要满足＜0.023mm，极面的形状和尺寸，首先应考虑满足均匀度要求，而且有足够大的诊断和治疗用空间，为了安装堵漏磁块，正方形最适合，为了节省永磁材料也可以改为八角形极面，如果磁体结构有特殊要求，还可以做成方形或长方形，不论是哪一种极面形状，在总体装配时的平行度、垂行度、偏差均应满足Δ＜0.02。

极板的厚度选择，除满足均匀度的要求外，还应考虑磁场的调整范围。根据实验测试结果，加侧向堵漏磁块后，单位长度的调整场强E＝10GS/6mm＝1.66GS/mm。当调整范围为±50G时，极板厚度应为 $\mathrm{\Δ}=\frac{50-(-50)}{E}=60\mathrm{mm}$

无涡流垫板5是针对快速核磁共振成像仪成像的需要而提供的，它的基本原理是防止快速梯度扫描时产生有害的涡流。为了减少和抑制涡流的产生，需要一种导磁率高，导电率低的材料。本实施例无涡流垫板2上、下两块由0.3mm厚的新研制的柔性片材和0.3mm厚的硅钢片复合而成。这种含高电阻率导磁材料做成的柔性化学片材，首先必须具有很合适的电磁物理性能，例如，磁性材料的趋肤深度与电阻率、磁导率、频率的关系如下：

ρ：阻率，以(Ω.cm)计；f：频率，以Hz计；

M：磁导率，为无量纲值。

在0.2Tesla磁场条件下，工作频率(f)为8.515MHZ，磁导率M为2000时，对于0.3mm趋肤深度材料，电阻率为： $\mathrm{\ρ}={\left(\frac{d}{5040}\right)}^2\mathrm{\μf}={\left(\frac{0.03}{5040}\right)}^2\×2000$ ×8.51×5×10⁶

＝3.543×10^-11×2000×8.515×10⁶

＝U.bU3Ωcm

只要ρ＜0.063Ωcm，0.3mm的薄材料即满足抑制涡流的要求。自然，当电阻率很高时，薄的磁性材料膜也会产生抑制涡流的作用。

本实施例提供了厚度在0.32mm范围的磁导率为2000，电阻率可调节的柔性片材，其配方(重量百分比)为：79.5％的软磁铁氧体，软磁铁氧体采用锰锌铁氧体，20％PVC＋DOP，0.5％的助剂，此助剂包括软化剂和稳定剂。本实施例软化剂采用硬酯酸铅，重量比为0.3％，稳定剂采用TS(三盐)，为0.2％，采用D32、W32硅钢片。

堵漏磁块垂直式(图6所示)或倾斜式(图7)或垂直与倾斜混合式，通过上述两种堵漏磁块，可以完全堵好永磁材料层3的漏磁、极板边缘的漏磁，并可以大大改善磁体两极板间的边缘场，使之接近中心场强值。

堵漏磁块是安装在极板的端面，可采用垂直式堵漏磁块6或倾斜式堵漏磁块8或垂直与倾斜混合式，场强调整范围达50Gs，以2000GS磁体为例，是中心场强的2.5％。采用螺旋调整机构移动堵漏磁块，可以使堵漏磁块垂直于极板端面移动调整，也可平行于极板端面移动调整，都能改变端部的漏磁场的大小。

本实施例的漏磁调整机构为螺旋调整机构，它由带盲孔的顶块110₁、带滚花的螺旋顶杆10₂和带阴螺纹的螺母10₃组成，顶块10₁粘固在堵漏磁块的侧面，螺母10₃则固定在磁体上，螺旋顶杆10₂上半部是光杆，套入顶块10₁的盲孔中；下半部是带阳螺纹的螺纹旋杆并旋入螺母10₃中，旋动滚花表面，使螺旋顶杆10₂在螺母10₃中上升或下降，顶块10₁随之升起或下降，从而使与其固接一起的堵漏磁块7上升或下移。

温控装置9中的测温控制器9₁型号为E6CS或DRC-81C(生产厂为Omnon或Lake shere)，温度探头9₂采用Pt-100型，在强磁场区域选用DT-500DRC型电容式温度探头，可以消除磁阻效应带来的误差，温度调控板9₃由铝合金加工成平板状，用高强度导热环氧胶粘在永磁体一侧，在温度调控板9₃内开有导线槽，槽内放入无感加热器9₄，此无感加热器采用无感加热丝。

在极极边缘处增加铁磁材料的位叠垫铁7，这样就可以在极板的边缘处建立一个场强高的位叠区城，阻止边缘的漏磁量，并能改善提高均匀度，这是调整磁强均匀度的精调工序，是不可缺少的工序，可以在Φ300mm球内获得20PPm-30PPm均匀度，在Φ360mm球体内能达到40PPm。40×30cm椭球内能达到50PPm。

永磁体3采用铁氧体、钕铁硼等永磁材料制成。用上述永磁材料构成磁路时，则磁路中的工作磁场强度也随温度变化。如果磁路的体积过大，温度变化过快时，在磁体内会产生温度梯度。这时，不仅工作磁场强度随温度变化，而且磁场均匀度也会随温度梯度的变化而改变，以致降低均匀度指标，而永磁磁体在工作时恰恰要维持工作磁场强度的稳定和均匀。

发明人经过长期的测试观察，认为对于一种固定结构的永磁磁体，它的工作磁场强度随温度变化的规律不仅与材料的剩余磁场温度系数α_{b_r}有函数关系，而且与磁体结构V有关。即：

H_o(t)＝f(α_br，V)

当磁体在常温下工作，远低于永磁材料的居里点时，实验得出：

H_o(t)＝A＋B_t关系对于本发明的磁体结构，其中

A＝2798G

B＝-3.822GS/℃

H_o为工作磁场强度。

最后得到：

H_o(t)＝2798－3.822t

首先，我们可以利用这个规律通过调整温度控制工作磁场的稳定。温度控制调节器能保持过度稳定，控制精度要求为±0.1℃。实施例2：对称柱型磁体。工作磁场强度H_o      2000GS永磁材料              NdFeB剩磁B_r               11.2KG磁感矫顽力bHc         10.KOe最大磁能积(BH)max     30MGOe极面间距h             580mm极板宽度d             1050mm主磁块高度h_M         70mm磁体高度H             1410mm磁体宽度W             2600mm磁体深度D             1210mm。

Claims (7)

1、一种高均匀度无涡流平板式核磁共振成像仪用永磁磁体，由永磁体和磁轭组成，永磁体是框式或永磁材料堆砌而成，永磁体内是只能沿一维轴向移动的封闭式治疗空间，其特征在于它由一对高精度、高光洁度、高平行度放置的上下极板、无涡流平面垫板、永磁材料层、堵漏磁块、温控装置、螺旋调整机构和C型磁轭或对称型磁轭组成，所述的两块高平行度放置的上下极板相对的内侧面各固结一无涡流平面垫板，此上下极板背面分别充填上下永磁材料层，再通过C型磁轭或对称型磁轭将所述的上、下永磁材料层连为一体，从而使磁体内部空间形成可在二维平面移动的大工作气隙，所述的堵漏磁块位于极板端面，所述的温控装置安装在磁体外部，它由温度探头、温度调控板、无感加热器、测温控制器组成，其中温度调控板安放在永磁体表面上，无感加热器放入温度调控板的导线槽内，温度探头位于温度调控板表面，温度探头与所述的测温控制器的测温端相连，测温控制器的控温端则与无感加热器连接，所述的螺旋调整机构安装在堵漏磁块的一侧，用于调整堵漏磁块的上移或下降。

2、根据权利要求1所述的高均匀度无涡流平板式核磁共振成像仪用永磁磁体，其特征在于所述的无涡流平面垫板采用D32、W32硅钢垫片和柔性材料垫片组成，其中柔性材料的配方是79.5％的软磁铁氧体、20％PVC＋DOP、0.5％的助剂。

3、根据权利要求2所述的高均匀度无涡流平板式核磁共振成像仪用永磁磁体，其特征在于所述的软磁铁氧体采用锰锌铁氧体，助剂由软化剂和稳定剂组成。

4、根据权利要求1所述的高均匀度无涡流平板式核磁共振成橡仪用永磁磁体，其特征在于采用垂直式的堵漏磁块。

5、根据权利要求1所述的高均匀度无涡流平板式核磁共振成橡仪用永磁磁体，其特征在于采用倾斜式堵漏磁块。

6、根据权利要求1所述的高均匀度无涡流平板式核磁共振成像仪用永磁磁体，其特征在于所述的螺旋调整机构由带盲孔的顶块、带滚花的螺旋顶杆和带阴螺纹的螺母组成，顶块粘固在堵漏磁块的侧面，螺母则固定在磁体上，螺旋顶杆上半部是光杆，套入顶块的盲孔中；下半部是带阳螺纹的螺纹旋杆并旋入螺母中，旋动滚花表面，使螺旋顶杆在螺母中上升或下降，顶块随之升起或下降，从而使与其固接一起的堵漏磁块上升或下移。

7、根据权利要求1所述的高均匀度无涡流平板式核磁共振成像仪用永磁磁体，其特征在于所述的极板边缘处放置有铁磁材料的位叠垫铁。

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