CN113009394A - 一种静磁场发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静磁场发生装置，包括一对主磁钢，上下对称设置；一对极板，设在主磁钢之间且上下对称设置；一对中部辅磁钢，设在所述的一对极板之间且与其交错连接，形成中空的中心区域；内匀场机构和外匀场机构，所述内匀场机构和外匀场机构位于中心区域的四周；四个侧辅磁钢，上下左右对称设置，位于主磁钢和极板的两端；导磁支撑结构，用于支撑所述的主磁钢和侧辅磁钢。本发明通过主、辅磁钢的交错设置形成特定的磁场，可最大限度地提升磁钢利用率、降低漏磁，提高磁场空间利用率。

Description

一种静磁场发生装置

技术领域

本发明涉及一种静磁场发生装置。

背景技术

永磁型磁体是由具有铁磁性的永磁材料构成。永磁体应用的范围较广，例如磁共振成像领域。

永磁型磁体磁场强度衰减极慢，几乎永久不变，且运行维护简单，无水电消耗，磁力线闭合，磁体漏磁少，磁力线方向与人体长轴垂直。但是，磁场强度较低，目前永磁型磁体最大场强已能达到0.5T，但是磁体庞大、笨重，同时其磁场均匀度受环境温度影响大，磁场稳定性较差。其周围环境发生变化(例如地铁线路、变电设施、供电电缆、过往机动车辆等)就会导致磁场均匀度被破坏，使图像质量下降，甚至造成图像伪影。

永磁型MRI设备虽然有上述缺点，但是其优异的开放性能、低造价、低运行成本、整机故障率低、磁场发散少、对周围环境影响小、检查舒适等特点，使得永磁MRI设备不仅在中国，在全世界也得到认可和广泛应用。永磁的难点在于磁场强度有限制，目前能做到1.0T就是个极限了，磁场强度低会导致扫描效果比不上高场MRI。

这是因为通常用于MR成像的永磁体多采用C型、双柱形等常规结构，且传统MR永磁体的磁场空间利用效率较低，如果考虑端部效应，磁场利用率更低。传统磁体安装后的初始磁场不均匀度较高，需经后期的二次匀场来满足成像的要求。由于对MR成像的永磁体所产生的磁场均匀性要求非常严格，且磁共振回波信号的信噪比约与静磁场场强的平方成正比，未获得足够的分辨率，静磁场的场强值应该足够大，所以整个磁源的造价一般为整个仪器造价的一半以上。

采用永磁体作为磁共振仪器的静磁场发生装置一般采用磁极式的基本结构。磁体均由轭铁、磁钢、极板、匀场环等构成，采用磁极式的结构，其特征是通过磁路闭合构造两个相反磁极获得所需的磁场空间。其不足之处在于：

1)磁场空间浪费大：由于对磁场的均匀性要求非常严格，现有的符合场强要求的均匀区域一般为两磁极之间磁体截面内气隙磁场的30％左右甚至更低。如果考虑端部效应，磁场利用空间率更低。这是磁体造价费用很高的根本原因之一。

2)磁场强度难以提高：由于磁场向外泄露，磁场强度小于永磁体剩余磁感应强度，其最大磁场强度通常小于0.5T。

3)由于磁场要通过周围环境构成闭合回路，磁场向外泄露严重。为使磁体周围达到5高斯安全，磁场环境需要添加屏蔽装置，这不仅使磁体更加庞大笨重，也增加了仪器的造价。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种静磁场发生装置，该装置产生的磁场均匀且磁场强度高。

本发明采用以下技术方案：

一种静磁场发生装置，包括：一对主磁钢，上下对称设置；一对极板，设在主磁钢之间且上下对称设置；一对中部辅磁钢，设在所述的一对极板之间且与其交错连接，形成中空的中心区域；内匀场机构和外匀场机构，所述内匀场机构和外匀场机构位于中心区域的四周；四个侧辅磁钢，上下左右对称设置，位于主磁钢和极板的两端；导磁支撑结构，用于支撑所述的主磁钢和侧辅磁钢；所述中部辅磁钢设在导磁支撑结构竖直方向的中心位置且左右对称分布，所述中部辅磁钢的上表面分别和侧辅磁钢的下表面、极板的下表面部分接触；所述中部辅磁钢的下表面分别和侧辅磁钢的上表面、极板的上表面部分接触。

主磁钢产生的主磁场往往分布不均且磁场强度弱，本发明采用上述特殊的磁路结构，通过不同尺寸、不同材质的磁钢组合来形成特定磁场，利用中部辅磁钢、极板和侧辅磁钢的交错设置，一方面可以提高中心区域内的磁场强度，另一方面可以最大化降低漏磁，提高中心区域磁场的场强和磁场均匀度，从而提高永磁体的磁场空间利用率，成像效果更好。

作为对本发明的进一步改进，设在上方的主磁钢的上表面固定在导磁支撑结构上，与之相对的下表面则和设在其下方的极板的上表面相接触且接触面完全重合；设在下方的主磁钢的下表面固定在导磁支撑结构上，与之相对的上表面则和设在其上方的极板的下表面相接触且接触面完全重合。极板的设置，可以使主磁钢产生的磁场分布均匀。

作为对本发明的进一步改进，所述侧辅磁钢的一个侧面固定在导磁支撑结构上，与之相对的侧面的一部分与主磁钢的一个端面部分接触、另一部分与极板的一个端面相接触。

侧辅磁钢和中部辅磁钢分布在主磁钢的周边，两两相互接触，能够降低主磁场的外泄，使磁场向着中心区域收缩。

作为对本发明的进一步改进，内匀场机构相互平行设置，位于极板和中部辅磁钢相接触的接缝处；外匀场机构相互平行设置，与内匀场机构相互垂直，且外匀场机构的两个端点分别和两个内匀场机构的一端相连。

内匀场机构和外匀场机构两两相接，可以将主磁场尽量向中心区域收缩，抑制主磁场的外泄和发散，进一步提高中心区域内的磁场强度，使主磁场向中心区域收缩，达到最大场强和进一步均匀化磁场。

作为对本发明的进一步改进，内匀场机构设有四个，外匀场机构设有四个。匀场机构均匀分布在中心区域四周，能够为中心区域提供更好的磁场约束和均匀度。

作为对本发明的进一步改进，所述外匀场机构为长方体结构且在朝向中心气隙空间的外侧向内进行倒角。外匀场机构上的倒角进一步优化了磁场向中心区域的走向。

作为对本发明的进一步改进，所述主磁钢为长方体结构，所述极板亦为长方体结构；所述侧辅磁钢为长方体或立方体结构；所述的中部辅磁钢亦为长方体或立方体结构。

作为对本发明的进一步改进，所述导磁支撑结构为中空的长方体结构。

作为对本发明的进一步改进，所述导磁支撑结构在其四个顶角位置设有倒角。倒角设置可以减少本发明的整体重量。

作为对本发明的进一步改进，所述主磁钢和侧辅磁钢在长度方向的尺寸比为2.5：1-3：1，在高度方向的尺寸比为1：1-1.2：1，宽度方向的尺寸一致。

作为对本发明的进一步改进，所述主磁钢和中部辅磁钢在长度方向的尺寸比为3：1，在高度方向的尺寸比为1.5：1，在宽度方向的尺寸一致。

作为对本发明的进一步改进，一对主磁钢的磁化方向相同，垂直于水平面；一对中部辅磁钢的磁化方向与主磁钢的磁化方向相反；设在导磁支撑结构上方的侧辅磁钢的磁化方向平行于水平面，指向导磁支撑结构之外，设在导磁支撑结构下方的侧辅磁钢的磁化方向平行于水平面，指向中心区域。

作为对本发明的进一步改进，一对主磁钢的磁化方向相同，垂直于水平面；一对中部辅磁钢的磁化方向与主磁钢的磁化方向相同；侧辅磁钢的磁化方向平行于水平面，指向中心区域。

作为对本发明的进一步改进，所述的侧辅磁钢、中辅磁钢的磁场等级和主磁钢的磁场等级相同，或者比主磁钢的磁场等级低；所述极板的材质为导磁率较高的软磁材料；所述内匀场机构和外匀场机构的材质为导磁率高的软磁材料；所述导磁支撑结构的材质为具有一定导磁率且磁场强度较高的导磁材料。

本发明的静磁场发生装置可以应用于磁共振成像、化学药物检测、动物成像、功能成像，为上述领域提供均匀且磁场强度高的成像空间，提高成像效果。

本发明还可以通过调整磁钢、极板及匀场机构的尺寸和外形可实现不同成像尺寸、磁场强度及磁场均匀度的需要。

有益效果：

本发明通过上述主、辅磁钢的交错设置形成特定的磁场，可最大限度地提升磁钢利用率、降低漏磁，另外通过极板和匀场机构的穿插设置，使形成的中心区域磁场分布均匀，提高磁场空间利用率。

此外，本发明无需安装屏蔽装置。传统MR永磁体由于存在磁场外泄，为实现5高斯安全环境，磁体需要安装在特殊的屏蔽环境当中；本特殊结构的磁体由于不存在磁场外泄，磁体无需安装在特殊的屏蔽环境中，减少了安装成本。

此外，根据试验结果，本发明的磁场强度最高可以达到1.2T，远超过现有技术能做到的0.5T；本发明装置的磁体的初始磁场均匀度﹤1000ppm，和传统MR磁体的初始磁场均匀度﹤2000ppm相比，磁场均匀度得到了极大的提升；本装置磁体的磁场均匀区可以达到两磁极之间气隙空间的50％左右或更高，而传统MR磁体的磁场均匀区通常为两磁极之间气隙空间的30％左右；传统MR磁体的磁场向外泄露比较大，磁场强度小于永磁体剩余磁感应强度，本特殊结构的磁体无磁场外泄，漏磁极小，最高磁场强度接近永磁体的剩余磁感应强度。说明本发明静磁场发生装置产生的磁场各方面性能都得到了较大的提升，这种提升正是通过上述结构方式引起的。

附图说明

图1为本发明磁场发生装置的结构示意图。

图2为本发明磁场发生装置的侧面剖面结构示意图。

图3为图1的截面结构示意图。

图4是图3虚线框内结构的局部放大图。

图5是图2的截面结构示意图。

图6是实施例1和2的匀场机构的局部放大图。

图7是实施例3和4的匀场机构的局部放大图。

图8是实施例3和4的匀场机构的立体结构示意图。

图9是本发明静磁场发生装置的磁力线图。

图10是实施例1和3的充磁结构示意图。

图11是实施例2和4的充磁结构示意图。

附图是用来举例说明问题，实际上可能的方案还有很多，只要采用此种或类似的磁钢组合方式的特殊磁路结构和制造工艺都在本专利覆盖的范围内。

具体实施方式

以下将参照附图对本发明的静磁场发生装置的优选实施例进行说明。

如图1和图2所示，一种静磁场发生装置，包括一对主磁钢1和2、一对极板9和10、两对侧辅磁钢3、4、5、6、一对中部辅磁钢7和8、两对内匀场机构11、12、13、14、两对外匀场机构15、16、17、18以及导磁支撑结构19。这些结构通过不同的排列组合固定在导磁支撑结构19内。

主磁钢1和2在导磁支撑结构19内平行且相对设置，在导磁支撑结构19的空间内产生的静磁场，而导磁支撑结构19则为主磁场提供导磁回路并为整个磁体提供支撑。

两对侧辅磁钢3、4、5、6均匀设在在主磁钢1和2的两端，且两两相对设置，降低主磁场的端部效应，能够进一步抑制主磁场的外泄，提高主磁场的空间利用率。

极板9和10设在主磁钢1和2之间，且相对地设置，通过高磁导率的软磁材料均匀化主磁场，提高主磁场的空间均匀性，使得主磁场尽量均匀。

本发明以主磁钢形成主磁场，以各辅助磁钢控制磁场、形成特定的磁场位形，形成一种全新结构的静磁场发生装置，以实现静磁场的均匀化，最大程度的防止磁场外泄。

具体来说：

主磁钢1的上表面和导磁支撑结构19的水平梁内侧表面接触，主磁钢1的下表面与极板9的上表面接触且接触面完全重合。主磁钢1和2在导磁支撑结构19内相对设置，具有完全一样的结构。

侧辅磁钢3的一个侧面与导磁支撑结构19的竖直柱内侧表面接触，与之相对的另一个侧面与主磁钢1、极板9的侧面相互接触；侧辅磁钢3的下表面与极板9的下表面在位于同一水平面上。侧辅磁钢3、4、5、6均匀分布在导磁支撑结构19内，两两相对设置，且具有完全一样的结构。

中部辅磁钢7的上表面分别和侧辅磁钢3的下表面、极板9的下表面接触，中部辅磁钢7的下表面分别和侧辅磁钢5的上表面、极板10的上表面接触。中部辅磁钢7和8具有完全一样的结构，且相对设置。

本发明采用这种相互错开设置的结构，从而最大限度的减少磁场外泄和提高磁场的均匀度。

匀场机构包括两对内匀场机构11、12、13、14，两对外匀场机构15、16、17、18。外匀场机构15、内匀场机构11、外匀场机构16和内匀场机构12两两相连，外匀场机构17、内匀场机构13、外匀场机构18和内匀场机构14两两相连。

内匀场机构11、12、13、14相互平行设置，内匀场机构11、12分别设在极板9和中部辅磁钢7、8的接缝处，内匀场机构13、14分别设在极板10和中部辅磁钢7、8的接缝处。外匀场机构15、16、17、18也相互平行设置，且外匀场机构15、16、17、18和内匀场机构11、12、13、14之间相互垂直设置。

这样的匀场机构设置，可以将主磁场尽量向中间区域收缩，抑制主磁场的外泄和发散，提高中心区域内的磁场强度，使得主磁场向成像空间收缩，为中心成像区域提供更好的磁场约束和均匀度。

本发明的主磁钢及辅助磁钢共同作用决定了磁体场强和不均匀度的大小，通常主磁钢的影响要大于辅助磁钢的影响，辅助磁钢起到抑制磁场泄露、加强中心磁场的目的。在维持支撑结构、磁钢及极板尺寸不变的情况下，成像空间气隙越大，磁体中心场强越小，均匀度也会随之变差；气隙越小，磁体中心场强越大，均匀性越好。在保持成像空间气隙尺寸不变的情况下，磁钢尺寸越大(通常包括纵向及横向尺寸)，磁体中心场强越大，均匀性越好。可以根据实际需要进行相应的调整，以适应不同的成像要求。

实施例1

主磁钢1、主磁钢2用以产生主磁场，其磁钢的外形多为规则的长方体结构，极板9、10形状亦为规则的长方体结构，侧辅磁钢3、4、5、6和中部辅磁钢7和8则采用相同或不同外形尺寸的小型长方体或立方体磁钢，用以控制磁场走向、形成特定的磁场位形，采取规则排列及组合的方式来产生所需的主磁场强度。

侧辅磁钢3、4、5、6和中部辅磁钢7和8均为辅助磁钢，磁钢类型为同一或不同类型的磁，其磁场等级可以与主磁钢1、主磁钢2相同，也可以是比主磁钢1、主磁钢2低等级的材料。

极板9、10由导磁率较高的软磁材料制造，通过高磁导率的软磁材料均匀化主磁场，提高主磁场的空间均匀性，使得主磁场尽量均匀。

导磁支撑结构19是中空的长方体或立方体结构，由具有一定的导磁率且强度较高的材料制造，其外形为在四处顶角位置分别进行适当的倒角，用以减少整个机构的重量，降低生产成本。

内匀场机构11、12、13、14和外匀场机构15、16、17、18多采用导磁率高的软磁材料，用以约束空间磁场、提高中心扫描区的磁场均匀度。

如图10所示，主磁钢1和2的充磁方向始终保持同一垂直方向；侧辅磁钢3、4的充磁方向相反、箭头指向均朝外侧，指向导磁支撑机构19；侧辅磁钢5、6的磁化方向相反、箭头指向均朝内侧；中部辅磁钢7、8的磁化方向与主磁钢1、主磁钢2的磁化方向相反；

主磁钢1、2的长度方向尺寸：侧辅磁钢3、4、5、6的长度方向尺寸为2.5～3；高度方向的比例为1～1.2：1。主磁钢1、2的长度方向尺寸：中部辅磁钢7、8的长度方向尺寸比为3；高度方向的比例为1.5:1。

如图3-6所示，内匀场机构11、12、13、14和外匀场机构15、16、17、18的结构均为规则的长方体结构。且内匀场机构11、12、13、14的高度略小于外匀场机构15、16、17、18的高度。

依据实施例1的结构制造静磁场发生装置，如图1所示，导磁支撑结构19的尺寸为800*500*700mm，成像空间尺寸为300mm*350mm*220mm，初始磁场均匀度：

球﹤700ppm(P-P值)，该装置的磁场均匀区可以达到两磁极之间气隙空间的50％，甚至更高，最高磁场强度接近永磁体的剩余磁感应强度，基本无磁场外泄，且磁体中心场强为0.75T。

当将导磁支撑结构的尺寸调整为800*500*840mm而成像空间不变时，则中心场强能够达到1.2T。

实施例2

如图11所示，与实施例1基本相同，不同在于：侧辅磁钢3和4的充磁方向相反、箭头均指向内侧，中部辅磁钢7、8与主磁钢1、2的磁化方向相同。

实施例3

如图7-8所示，与实施例1基本相同，不同在于：外匀场机构15、16、17、18的结构为规则的长方体结构并在朝向中心气隙的外侧向内进行倒角。该设置可以进一步优化磁场向成像区域走向，提高成像区域内的磁场强度和均匀性。

实施例4

与实施例1基本相同，不同在于：侧辅磁钢3和4的充磁方向相反、箭头均指向内侧，中部辅磁钢7、8与主磁钢1、2的磁化方向相同。外匀场机构15、16、17、18的结构为规则的长方体结构并在朝向中心气隙的外侧向内进行倒角。

本发明应用在磁共振成像领域具有不可比拟的优点，此外，还可以根据实际需要，对各结构进行排列组合，形成特定的磁场，应用在化学药物检测、动物成像、功能成像领域。

Claims (10)

1.一种静磁场发生装置，其特征在于，包括：

一对主磁钢，上下对称设置；

一对极板，设在主磁钢之间且上下对称设置；

一对中部辅磁钢，设在所述的一对极板之间且与其交错连接，形成中空的中心区域；

内匀场机构和外匀场机构，所述内匀场机构和外匀场机构位于中心区域的四周；

四个侧辅磁钢，上下左右对称设置，位于主磁钢和极板的两端；

导磁支撑结构，用于支撑所述的主磁钢和侧辅磁钢；

所述中部辅磁钢设在导磁支撑结构竖直方向的中心位置且左右对称分布，所述中部辅磁钢的上表面分别和侧辅磁钢的下表面、极板的下表面部分接触；所述中部辅磁钢的下表面分别和侧辅磁钢的上表面、极板的上表面部分接触。

2.根据权利要求1所述的静磁场发生装置，其特征在于：设在上方的主磁钢的上表面固定在导磁支撑结构上，与之相对的下表面则和设在其下方的极板的上表面相接触且接触面完全重合；设在下方的主磁钢的下表面固定在导磁支撑结构上，与之相对的上表面则和设在其上方的极板的下表面相接触且接触面完全重合。

3.根据权利要求1所述的静磁场发生装置，其特征在于：所述侧辅磁钢的一个侧面固定在导磁支撑结构上，与之相对的侧面的一部分与主磁钢的一个端面部分接触、另一部分与极板的一个端面相接触。

4.根据权利要求1所述的静磁场发生装置，其特征在于：内匀场机构相互平行设置，位于极板和中部辅磁钢相接触的接缝处；外匀场机构相互平行设置，与内匀场机构相互垂直，且外匀场机构的两个端点分别和两个内匀场机构的一端相连。

5.根据权利要求4所述的静磁场发生装置，其特征在于：所述外匀场机构为长方体结构且在朝向中心气隙空间的外侧向内进行倒角。

6.根据权利要求1所述的静磁场发生装置，其特征在于：所述主磁钢为长方体结构，所述极板亦为长方体结构；所述侧辅磁钢为长方体或立方体结构；所述的中部辅磁钢亦为长方体或立方体结构；所述导磁支撑结构为中空的长方体结构。

7.根据权利要求6所述的静磁场发生装置，其特征在于：所述导磁支撑结构在其四个顶角位置设有倒角。

8.根据权利要求1所述的静磁场发生装置，其特征在于：所述主磁钢和侧辅磁钢在长度方向的尺寸比为2.5：1-3：1，在高度方向的尺寸比为1：1-1.2：1，宽度方向的尺寸一致。

9.根据权利要求1所述的静磁场发生装置，其特征在于：所述主磁钢和中部辅磁钢在长度方向的尺寸比为3：1，在高度方向的尺寸比为1.5：1，在宽度方向的尺寸一致。

10.根据权利要求1所述的静磁场发生装置，其特征在于：所述的侧辅磁钢、中辅磁钢的磁场等级和主磁钢的磁场等级相同，或者比主磁钢的磁场等级低；所述极板的材质为导磁率较高的软磁材料；所述内匀场机构和外匀场机构的材质为导磁率高的软磁材料；所述导磁支撑结构的材质为具有一定导磁率且磁场强度较高的导磁材料。

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