CN113348372A - 带有θ磁体环的轻质不对称磁体阵列 - Google Patents

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Abstract

一种磁体阵列(700)包括多个磁体环(711‑720)和框架。多个磁体环沿纵向轴线定位并与纵向轴线同轴，其中至少一个磁体环(712，713，719)具有旋转对称性，并且具有沿方位角(θ)坐标的有限磁化分量和纵向‑径向平面中的有限磁化。多个磁体环被配置为沿着平行于纵向轴线的方向共同产生磁场。框架被配置成将多个磁体环固定地保持就位。

Description

带有θ磁体环的轻质不对称磁体阵列
技术领域
本发明总体上涉及磁体组件，尤其涉及包括永磁体的轻质磁体组件及其设计方法。
背景技术
以前在专利文献中已经报道了旨在实现强且均匀的磁场的永磁体阵列的设计。例如，美国专利7,423,431描述了一种用于成像设备的永磁体组件，其具有永磁体，该永磁体具有第一表面和适于面向成像设备的成像空间的阶梯状第二表面，其中阶梯状第二表面包含至少四个台阶。
作为另一个例子，美国专利6,411,187描述了在医疗和其他应用中使用的可调节混合磁性设备，包括用于在成像空间中产生第一磁场的电磁通量产生器，以及用于产生叠加在第一磁场上的第二磁场的永磁体组件，用于在成像空间中提供具有改进幅度的基本均匀的磁场。永磁体组件可包括多个沿其对称轴间隔开的环形或盘状同心磁体。混合磁性设备可以包括高磁导率磁轭，用于增加混合磁性设备的成像空间中的磁场强度。
美国专利10,018,694描述了一种用于磁共振成像(MRI)仪器的磁体组件，该磁体组件包括布置在两个或多个环中的多个磁体节段，使得磁体节段与同一环中的相邻磁体节段均匀间隔开，并且与相邻环中的磁体节段间隔开。根据一实施例，多个磁体节段被布置在两个或更多个环中，其中至少一些磁体节段的磁化方向不与由它们各自的环限定的平面对齐，以提供对所得磁场分布的更大控制。
美国专利5,900,793描述了由多个沿其对称轴间隔开的环形同心磁体组成的组件，以及使用被永久磁化的等角节段构造这种组件的方法。
发明内容
本发明的实施例提供了一种包括多个磁体环和框架的磁体阵列。多个磁体环沿着纵向轴线定位并与纵向轴线同轴，其中至少一个磁体环具有旋转对称性，并且具有沿着方位角(θ)坐标的有限磁化分量和在纵向-径向平面中的有限磁化。多个磁体环被配置为沿着平行于纵向轴线的方向共同产生磁场。框架被配置成将多个磁体环固定地保持就位。
在一些实施例中，多个磁体环，包括具有旋转对称性并具有沿方位角(θ)坐标的有限磁化分量的所述至少一个磁体环，被配置为在预定内部空间内共同产生具有至少给定均匀性水平的磁场。
在一些实施例中，多个磁体环，包括沿着方位角(θ)坐标具有有限磁化分量的至少一个磁体环，被配置为共同最小化磁体阵列外部的边缘场。
在一实施例中，每个磁体环相对于磁体环围绕纵向轴线的平面内旋转具有旋转对称性。
在另一实施例中，磁体环中的至少一个磁体环环绕所述预定内部空间，并且其中沿着所述纵向轴线位于所述内部空间的中心的一侧上的磁体环的最小内半径不同于位于所述内部空间的中心的另一侧上的磁体环的最小半径。
在一些实施例中，磁体环相对于所述纵向轴线以反射不对称的方式布置。
在一些实施例中，内部空间是围绕所述纵向轴线的回转椭球体。
在一实施例中，至少一个磁体环被制成单个实心元件，所述至少一个磁体环具有沿方位角(θ)坐标的有限磁化分量。在另一实施例中，沿方位角(θ)坐标具有有限磁化分量的所述至少一个磁体环被制成为具有相等间隔的相同节段的分节段环。
在一些实施例中，每个磁体环具有包括椭圆形、圆形和多边形中之一的形状。
在一些实施例中，磁体阵列还包括磁体环的一个或多个额外阵列，其中额外阵列中的磁体环与各自的纵向轴线同轴，所述各自的纵向轴线与所述纵向轴线成各自的角度。
根据本发明的实施例，另外提供了一种用于产生磁体阵列的方法，该方法包括沿着纵向轴线并与纵向轴线同轴地定位多个磁体环，其中至少一个磁体环具有旋转对称性，并且具有沿着方位角(θ)坐标的有限磁化分量和在纵向-径向平面中的有限磁化，所述多个磁体环被配置为沿着平行于纵向轴线的方向共同产生磁场。使用框架将多个磁体环固定地保持就位。
从下面结合附图对本发明实施例的详细描述中，将更全面地理解本发明。
附图说明
图1是根据本发明实施例的包括第一磁体组件和第二磁体组件的不对称磁体阵列的透视图；
图2A和2B-2D是根据本发明另一实施例的不对称磁体阵列的透视图，以及分别由组件单独和联合产生的磁力线图；
图3是根据本发明实施例的分节段磁体环的透视图，该磁体环可以是图1和2的磁体阵列中的任何一个环；
图4是根据本发明实施例的包括三个θ磁体环的非对称磁体阵列的透视图；
图5是根据本发明的实施例的由图4的磁体阵列产生的磁力线的曲线图；和
图6是根据本发明实施例的θ磁体环透视图，该θ磁体环可以是图4的磁体阵列中的任何一个环。
具体实施方式
概览
医学、航空航天、电子和汽车工业等众多学科都需要强而均匀的磁场。例如，用于人脑的磁共振成像(MRI)的磁体通常提供强度为0.1至3特斯拉的磁场，该磁场在大约3000立方厘米的成像空间内(例如半径为9cm的球体内部)均匀到百万分之几(ppm)。然而，由于其相当大的尺寸和重量，这种磁体的应用受到限制。此外，通常在磁体设计中，在重量、磁场均匀性和能够实现给定均匀性的空间大小之间存在严重受限的权衡。
下文描述的本发明的实施例提供了产生强且均匀的磁场(例如，在0.1至1特斯拉的范围内)的轻质永磁体阵列。一些公开的磁体阵列被配置用于急救脑部移动MRI系统，例如救护车内的头部MRI系统。然而，通常，所公开的技术可以应用于任何其他合适的系统。
在本文的描述中，使用由纵向(Z)、径向(r)和方位角(θ)坐标组成的圆柱坐标系，内部空间被定义为围绕纵向轴线的回转椭球体的体积。内部空间的例子是长轴沿纵向轴线的长圆形(prolate)和短轴沿纵向轴线的扁圆形(oblate)。横向平面进一步定义为任何r-θ平面(即垂直于纵向z轴的平面)。内部空间的具体定义是MRI系统的成像空间，其中磁场具有至少给定水平的均匀性。
在本发明的一些实施例中，提供了一种磁体阵列，该磁体阵列包括框架，该框架被配置为将多个与中心纵向轴线同轴的磁体环保持在沿着该轴线的不同位置处，其中磁体环位于横向平面中，其中至少一个环对包含在纵向轴线所穿过的内部空间中的一区域进行环绕(即，该环与内部空间相交)。在本说明书中，框架由将环保持就位的机械能力来定义，并且可以以各种方式来制造，例如，使用轭或通过将环嵌入环绕材料(例如，环氧树脂)中。
多个磁体环相对于纵向轴线以反射不对称(reflectional asymmetry)的方式布置。在本公开和权利要求的上下文中，术语“相对于纵向轴线的反射不对称”意味着垂直于纵向轴线的平面都不是磁体阵列的对称平面。换句话说，磁体阵列在沿轴线的任何点处相对于纵向轴线翻转时都不是对称的。反射不对称也称为点不对称或镜像不对称。为简洁起见，在下面的描述中，对磁体阵列“不对称”的任何提及都意味着上面定义的反射不对称。
多个磁体环被配置为在内部空间中沿着与至少给定均匀性水平的纵向轴线平行的方向共同产生磁场。磁体阵列使每个磁体环产生相对于该环围绕纵向轴线的平面内旋转(in-plane rotation)具有旋转对称性(连续或离散)的磁场。
在一些实施例中，任何公开的磁体阵列的每个磁体环具有包括椭圆(最常见的是圆形)或多边形之一的形状。每个磁体环由单个实心元件或离散磁体节段的组件制成。磁体环被预磁化，其磁化方向被设计成使得内部空间内磁场的均匀性最大化，并可选地使得由磁体周围的、磁场超过5高斯的区域所限定的安全区最小化。
在典型地被配置用于头部MRI应用的一些实施例中，所公开的不对称永磁体阵列可以被描述为包括第一磁体组件和第二磁体组件，第一磁体组件包括具有第一内直径的两个或多个磁体环，第二磁体组件包括具有第二内直径的两个或多个磁体环。第一内直径大于成像空间的最大横向直径，第二内直径小于或等于成像空间的最大横向直径。
通常，磁体环位于不同的纵向轴线位置。第二磁体组件相对于成像空间不对称地放置。因此，所公开的磁体阵列的不对称结构被优化以适合人的头部，其中对包含大脑的内部空间(与成像空间相同)的物理介入是通过第一组件(而不是第二组件)实现的。第一和第二磁体组件被配置为在内部空间内共同产生与至少给定均匀性水平的纵向轴线平行的磁场。
在一些实施例中，提供了包括至少一个磁体环的磁体阵列，该磁体环是旋转对称的，并且其特征在于磁化分量M＝(Mr，Mθ，Mz)，除了在纵向-径向平面中具有有限磁化分量(即磁化的非零投影)之外，还具有沿方位(θ)坐标的有限磁化分量(即磁化的非零投影)。这种磁体环在下文中被称为“θ磁体环”。在非对称阵列中包括至少一个这样的θ磁体环，与由仅在纵向-径向平面中磁化的旋转对称实心环或分节段环制成的相同重量的磁体阵列所能实现的相比，可以提高内部空间内的均匀性。
上面公开的各种类型的磁体环通常由强铁磁材料制成，例如钕、铁和硼的合金(钕铁硼)，其居里温度远高于最大环境工作温度。其他材料选项包括铁氧体、钐钴(SmCo)磁体或任何其他永磁材料。根据环的设计和类型，环节段可以具有球形、圆柱形、椭球形或多边形棱柱的形状，其形状如长方体、楔形或角形节段。
单独或组合实现磁体阵列(例如，使用不对称几何形状且使用θ磁体环)的两种公开的技术使得能够在特别需要轻质磁体解决方案的应用中使用强且均匀的磁体阵列。
用于头部MRI应用的非对称磁体阵列
图1是根据本发明实施例的不对称磁体阵列100的透视图，该磁体阵列包括第一磁体组件110和第二磁体组件120。如图所示，第一和第二磁体组件110和120各自包括至少两个磁体环，该磁体环与穿过内部空间130的中心纵向轴线(表示为“Z轴”)同轴。多个磁体环具有可变的横向尺寸和沿Z轴的可变位移。在图1中，举例来说，第一组件110显示为由四个磁体环111-114组成，第二组件120显示为由四个磁体环121-124组成。组件110和120中的每个环或者是实心环或者是分节段环，也就是说，包括离散节段的环。这些节段可以具有球形、圆柱形、椭圆形或多边形棱柱的形状，优选为长方体。应当理解，环可以具有任何横截面，包括非规则形状的横截面。属于单个环的所有节段共享共同的形状和材料成分，以及在纵向(Z)、径向和方位角方向上相同的磁矩分量。然而，这些特征中的一个或多个可能因环而异。
在分节段环的情况下，所谓节段的磁矩意味着该节段被均匀磁化到空间中的特定方向，其径向、纵向和方位角方向按节段质量中心进行计算。
在实心环的情况下，M在具有独立于方位坐标的方位角、径向和纵向分量的空间中连续变化。可以理解的是，具有复杂形状的实心磁体部件可以以这样的方式被磁化，即Mr、Mθ或Mz作为Z或R的函数以渐进或步进的方式变化，从磁化角度来看有效地产生了几个环，但是从机械的角度看是由一个连续的部件组成。在本文中，这种类型的实施方式被认为具有多个环，其中它们的边界是从磁化的角度而不是从机械节段划分的角度来确定的。
环的外围形状可以是任何闭合曲线，例如圆、椭圆或多边形。在一些情况下，外围形状的选择取决于内部空间130的横截面形状。应当理解，环的旋转对称尤其意味着其外围形状也是旋转对称的(例如圆形或等角等边多边形)。在所有环都是圆形的特殊情况下，第一组件110的环111-114的最小内半径由R1表示，第二组件120的环121-124的最小内半径由R2表示。对于给定的目标半径R1，作为示例，该目标半径R1具有内部空间130的横向半径140，该横向半径限定了用于成像的球体内部空间的最大半径，并且磁场具有至少给定水平的均匀性，R1和R2的值满足关系Ri<Rl，并且0<R2<R1。在R2＝0的情况下，第二组件120的至少一个环是实心圆盘。应当理解，组件120可以包含内半径大于R2且甚至大于R1的环。组件在Z方向上以通常(但不限于)0-10cm的间隙分开。为了当前的目的，如果环在Z方向延伸到两个组件，则环的一部分将被认为包括在第一组件中，而另一部分包括在第二组件中。在这种情况下，阵列之间的间隙将为0。
在一实施例中，在不对称阵列中，位于内部空间中心一侧的环的最小半径不同于位于该中心另一侧的环的最小半径。内部空间的中心可以以任何合适的方式限定，例如，位于内部空间内的纵向轴线部分的中心。此外，当内部成像空间仅被阵列部分地包围时，中心将被认为是位于内部空间内且在阵列内部的那部分纵向轴线的中心。遵循前一实施例的阵列可以被描述为由两个子组件组成，如上所述，这两个子组件具有不同的最小内半径。
内部空间130是至少部分被组件110包围的简单连接区域，组件110通常是椭球体或球体。如图所示，内部空间130被磁体阵列110包围，环112-113环绕内部空间130。在一实施例中，内部空间130是具有近似等于0.5R1、0.5R1和0.3R1的半轴的扁椭球体。这种环的参数不限于环的内外半径、其Z位移或Z轴厚度。此外，磁矩角全部使用计算方法优化，例如有限元、有限差分或分析方法，结合梯度下降优化算法，以最小的权重实现最佳的均匀性(对于成像空间中的给定磁场强度)。这是允许的，因为每个组件包含多个环，所有这些环都经过优化。
磁体阵列100的不对称性的一个方面是不同的环具有不同的横向尺寸和磁矩方向，其中环被布置在相对于纵向轴线具有反射不对称性的阵列中(即，相对于Z轴反转(inversion)不对称)。在本公开和权利要求中，术语“相对于纵向轴线的反射不对称”意味着垂直于纵向轴线的平面都不是磁体阵列的对称平面。换句话说，磁体阵列在沿轴线的任何点处相对于纵向轴线翻转时都不是对称的。反射不对称也称为点不对称或镜像不对称。为简洁起见，在下面的描述中，对磁体阵列的“不对称”的任何提及都意味着上面定义的反射不对称。
当对固有的非对称样本成像时，例如人的头部，设计所带有的不对称性是特别有利的。例如，在一种这样的情况下，已经发现属于组件110的环可以主要沿第一给定方向(例如，r方向)磁化，而属于组件120的环可以主要沿另一方向(例如，z方向)磁化。
最后，每个单个环的磁化方向可以被优化，以获得内部空间的均匀性以及边缘场(fringe field)的减小，从而产生使得靠近磁体环的磁力线闭合的磁路。在一实施例中，离散的磁体节段每个都按各自的磁化方向被预磁化，该磁化方向最小化磁体阵列外部的边缘场。
图2A和2B-2D是根据本发明另一实施例的不对称磁体阵列200的透视图，以及分别由组件单独和联合产生的磁力线图。若按线的均匀密度(因为为了更好的细节，线在成像区被画得更密集)而不是通过线的z轴对准来看，均匀性并不明显。
如图2A所示，内部空间230是至少部分被第一磁体组件210包围的简单连接区域，第一磁体组件210通常是椭球体或球体。不对称阵列的第二磁体组件220“盖住”内部空间230。如上所述，不同的环可以具有不同的磁化方向，以优化磁体阵列的均匀性和边缘场。例如，一个环可以具有与另一个环实质不同(例如，相差超过45度)的方向上的磁化矢量。例如，永磁体节段的磁化矢量可以在一个环中主要指向r方向，而在另一个环中主要指向Z方向。此外，属于同一组件的两个环可以具有基本不同的磁化方向。例如，第一组件的一个环可以主要在r方向上磁化，第一组件的另一个环可以主要在-z方向上磁化，而第一组件的第三个环可以在r-z平面中按-45度磁化为。在一实施例中，两个或更多个环在彼此相差超过45度的方向上具有磁化矢量。
在一具体情况下(未示出)，发现组件210中的环的内半径分散在15cm至30cm的范围内，并且其Z位置分散在25cm的长度范围内，而组件220中的环的内半径分散在0.05cm至30cm的范围，并且其Z位置分散在12cm的长度范围内，两个组件之间在Z方向上的位移为0cm至10cm。
图2B示出了在内部空间230内部和外部由第一磁体组件210产生的磁场的磁力线(横截面由正方形示出的环，每个环的磁化方向在r-z平面中)。如图所示，内部空间230内的磁力线基本上沿着z轴排列，但是它们在空间230的顶部急剧弯曲，在那里磁场变得非常不均匀。
图2C示出了在内部空间230内部和外部由第二磁体组件220产生的磁场的磁力线。本文还可以看到，内部空间230内的磁场线基本上沿着z轴排列。然而，它们相对于z轴与图2B的磁力线相反地倾斜，并且在空间230的底部变得非常不均匀。
如图2D所示，当组合成完整阵列200时，组件210和220补偿彼此的场不均匀性，以获得沿z轴的均匀磁场，达到优于预定阈值的程度。
图2A-2D示出了包含十个环的示例性阵列。应当理解，阵列可以包含更多的环(例如，几十个或几百个环)，这些环都如上所述被优化。阵列中包含的环越多，则可以获得越好的磁体性能(例如，更高的均匀性水平、更大的磁场或更大的成像空间)。性能的提高带来的缺点是由于大量的元件而增加了阵列的复杂性和生产成本。因此，本领域技术人员应根据具体应用考虑所需的环数。
图3是根据本发明实施例的单个分节段磁体环300的透视图，其可以是图1和2的磁体阵列100和200中的任何一个环。在图3中，每个磁体节段310具有位于r-Z平面中的磁化矢量320，具有相似的纵向(Z)和径向(r)分量。此外，每个分节段环具有旋转对称性，方位角周期等于360/N度，其中N是环中的节段数。(对于实心环，即对于N→∞，旋转对称是连续的)。在一些实施例中，所公开的环具有N≥8阶的旋转对称性。应当理解，所公开的阵列包含具有旋转对称性的环，因此产生的磁场是沿着纵向轴线的。然而，可以以优化内部空间中的边缘场和均匀性的方式并入非旋转对称的非对称阵列环。在这种情况下，磁场可以沿着任意轴线。尽管这种阵列可能比旋转对称阵列差得多，但是与对称阵列相比，所公开的不对称环的使用可以显著提高阵列的均匀性。
离散的节段310被等间距地隔开，并使用例如粘合剂彼此连接，该粘合剂优选为不导电的，或者通过相邻节段之间的间隙330机械地保持在一起，该间隙330由优选绝缘的材料填充(但不限于此)。应当理解，旋转对称的分节段环也可以包括多于一种类型的节段的组合。为了所有环300的热稳定性，优选的是粘合剂或间隙包括也具有导热性的材料，例如氧化硅、氮化硅或氧化铝。单个磁体节段310可以由前述强铁磁材料制成，其居里温度远高于包括诸如阵列200这样的元件的相关系统的工作温度，例如移动MRI系统。
应当理解，图1-3中的描述仅旨在作为示例，并且在本发明的范围内许多其他实施例是可以的。例如，在替代实施例中，可以通过将各个磁体节段310旋转不同的旋转角度来实现磁体力矩矢量在r-z-θ平面中的旋转，这对于不同的环可能是不同的。此外，磁体阵列100和200可以与静态或动态匀场系统(shimming system)结合，以分别进一步改善内部空间130和230内的磁场均匀性。当使用动态匀场或梯度脉冲磁场时，相邻磁体节段310之间的电绝缘粘合剂或空的间隙的存在有助于最小化涡流对磁场均匀性的负面影响。此外，磁体阵列100和200可以与相对于z轴同心放置的电阻线圈组合，以便增强内部空间130和230内的磁场强度。
包括θ磁体环的磁体阵列
图4是根据本发明实施例的包括三个θ磁体环(712、713、719)的不对称磁体阵列700的透视图。举例来说，磁体阵列700包括围绕穿过内部空间730的轴线Z的十个磁体环711-720。一些磁体环可以是实心的，一些可以是分节段的，并且可选地在相邻的磁节段之间具有间隙。环沿着Z轴位于不同的位置，并且通常具有不同的横向尺寸、径向厚度和轴向厚度。
如上面所示的阵列，磁体阵列700限定了标准的圆柱坐标系。每个磁体环具有旋转对称的磁化，其特征在于磁化分量M＝(Mr，Mθ，Mz)。给定分节段环内的所有节段具有相同的磁化分量，其在前述圆柱坐标系中，由磁矩的三个分量表示，M＝(Mr，Mθ，Mz)。因此，每个分节段环都具有旋转对称性，方位角周期等于360/N度，其中N是环中的节段数。
在分节段环的情况下，所谓节段的磁矩意味着该节段被均匀磁化到空间中的特定方向，并且其径向、纵向和方位角方向按节段质量中心进行计算。在实心环的情况下，M在空间中连续变化，并且具有独立于θ的方位角、径向和纵向分量。
对于不同的环，磁化强度M通常是不同的。磁体阵列中的至少一个磁体环是“θ磁体环”；也就是说，除了在r-Z平面中的非零磁化投影之外，它还具有在θ方向(Mθ≠0)上的非零磁化投影。r-Z平面上的非零投影是必不可少的，因为只具有方位角磁化的磁体环不会产生大的磁场。
本质上，在给定环中引入非零θ分量具有降低该环对成像空间内总磁场的相对贡献的效果，因此提供了与环的几何形状无关的额外自由度。当阵列受到各种几何约束(例如环的位置、径向/轴向厚度)时，这些额外的自由度是最有利的，所述约束通常是由机械或制造限制条件引起的。借助于计算机化的磁场模拟工具，设计者可以调整或“调谐”θ磁体环(一个或多个)中非零θ分量的大小，以及所有磁体环的几何特性(例如高度、外半径、内半径、厚度和z轴位置)，以便根据需要实现高水平的磁场均匀性或大的内部空间，例如用于便携式头部MRI系统。
例如，环712、713和719可以分别是在圆柱坐标(Mr，Mθ，Mz)中具有由
Figure BDA0003180670510000101
和
Figure BDA0003180670510000102
给出的磁化方向的θ环。在一实施例中，具有沿方位角(θ)坐标的有限磁化分量的一个或多个磁体环和其余的磁体环被配置成在内部空间内共同产生具有至少给定均匀性水平的磁场。
磁体环711-715的磁节段可以由前述强磁性材料制成。这些节段通常按磁矩分量的特定值预磁化。节段的形状可以是任何前述分节段形状(例如，楔形或角形节段)。
所公开的在磁体环阵列中的至少一个环的磁化矢量中引入非零θ分量(Mθ≠0)可以极大地增强阵列内部空间内的磁场均匀性，或者，对于给定的均匀性水平，极大地扩大内部空间。这一优点适用于实心环，所述实心环包括具有空间连续磁化的实心磁体部件。其也适用于分节段的磁体环，其节段是连续的，没有间隙，也适用于其节段被气隙或用非磁性材料填充的间隙分开的环。应当理解，间隙也可以用不是永磁体但具有一些并非微不足道的(non-trivial)磁导率的材料填充，例如(但不限于)顺磁性磁体、反铁磁磁体、抗磁性磁体、铁磁体和亚铁磁体。
图5是根据本发明的一实施例的、由图4的磁体阵列700产生的磁力线的曲线图。若按线的均匀密度(因为为了更好的细节，线在成像区被画得更密集)而不是通过线的z轴对准来看，均匀性并不明显。如图所示，阵列700实现了沿z轴的均匀磁场，z轴对准几乎延伸到环。虽然不可见，但θ环提高了均匀性。因此，在环形磁体的非对称阵列中包括几个θ磁体环对于移动MRI应用特别有用，例如MRI救护车。
图4和5示出了包含总共十个环的示例性阵列，其中三个是θ环。应当理解，阵列可以包含更多的θ环(例如，几十或几百个环)，这些环都如上所述被优化。阵列中包含的θ环越多，可以获得越好的磁体性能(例如，更高的均匀性水平、更大的磁场或更大的成像空间)。性能的提高带来的缺点是由于大量的元件而增加了阵列的复杂性和生产成本。因此，本领域技术人员应根据具体应用考虑所需的环数。
图6是根据本发明实施例的θ磁体环的透视图，该磁体环可以是图4的磁体阵列700中的任何一个环。
图6(I)示出了第一示例性θ磁体环900a的透视图。在图6(I)中，θ磁体环包括二十个长方体磁节段910。每个节段920的磁矩具有零轴向(Z)分量和非零径向(r)和theta(θ)分量，如箭头920所示。
图6(II)示出了第二示例性θ磁体环900b的透视图，包括二十个长方体磁节段930。每个节段930的磁矩具有零径向(r)分量和非零轴向(Z)和theta(θ)分量，如箭头940所示。
图6(III)示出了第三示例性θ磁体环900c的透视图，包括二十个长方体磁节段950。每个节段950的磁矩具有非零的径向(r)、theta(θ)和轴向(Z)分量，如箭头960所示。
应当理解，以上描述仅旨在作为示例，并且在本发明的范围内许多其他实施例是可能的。例如，磁体阵列700可以与静态或动态匀场系统相结合，以进一步改善成像空间730内的磁场均匀性。此外，所呈现的磁体阵列是非对称的，然而，θ环也可以用在对称阵列或任何其他类型的磁阵列中，有或没有磁轭以增强它们的均匀性。
此外，可以将所描述的阵列(具有与公共轴线同轴的多个环)与一个或多个额外的环阵列相结合，对于所述额外的环阵列，环与一个或多个不同的轴线同轴，所述不同的轴线与第一纵向公共轴线成一角度。阵列的组合共同在空间的任意方向产生磁场。额外的环阵列也可以包含θ相位环，然而这些环是根据它们自己的圆柱坐标系来定义的，其中z’轴线被定义为它们自己的公共同轴度轴。
例如，可行的是具有两组同轴度轴相差45度的环。每个阵列可以包含一个或多个θ环，并且可以被优化以获得沿着每个阵列轴线在内部空间中基本均匀的磁场。两个阵列的组合在第一和第二纵向轴线之间的方向上产生均匀的磁场。
当使用动态匀场或梯度脉冲场时，在相邻磁体元件之间的间隙中存在电绝缘材料的分节段环是优选的，以便最小化涡流对磁场均匀性的有害影响。此外，磁体阵列700可以与相对于Z轴同心放置的电阻线圈组合，以便增强它们各自限定的内部空间内的磁场强度。
虽然本文描述的实施例主要针对移动MRI应用，但是本文描述的方法和系统也可以用于其他应用，例如航空航天应用，这些应用需要强、均匀和轻质的磁体，例如扫描电子显微镜(SEM)。
因此，应当理解，上述实施例是作为例子引用的，并且本发明不限于上文具体示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括上述各种特征的组合和子组合，以及本领域技术人员在阅读前述描述时会想到的并且在现有技术中没有公开的其变型和修改。通过引用而结合在本专利申请中的文件被认为是本申请的组成部分，除了在这些结合的文件中以与本说明书中明确或隐含的定义相冲突的方式定义的任何术语，应该仅考虑本说明书中的定义。
相关应用的交叉引用
本申请要求2018年11月29日提交的美国临时专利申请62/772,638和2019年1月23日提交的美国临时专利申请62/795,575的权益，其公开内容通过引用结合于此。

Claims (22)

1.一种磁体阵列，包括：
多个磁体环，所述多个磁体环沿着纵向轴线定位并与纵向轴线同轴，其中至少一个磁体环具有旋转对称性，并且具有沿着方位角(θ)坐标的有限磁化分量和在纵向-径向平面中的有限磁化，所述多个磁体环被配置为沿着平行于纵向轴线的方向共同产生磁场；和
框架，其被配置为将多个磁体环固定地保持就位。
2.根据权利要求1所述的磁体阵列，其中所述多个磁体环，包括具有旋转对称性并具有沿方位角(θ)坐标的有限磁化分量的所述至少一个磁体环，被配置为在预定内部空间内共同产生具有至少给定均匀性水平的磁场。
3.根据权利要求1或2所述的磁体阵列，其中所述多个磁体环，包括沿着方位角(θ)坐标具有有限磁化分量的至少一个磁体环，被配置为共同最小化磁体阵列外部的边缘场。
4.根据权利要求1或2所述的磁体阵列，其中，每个磁体环相对于磁体环围绕纵向轴线的平面内旋转具有旋转对称性。
5.根据权利要求1或2所述的磁体阵列，其中，所述磁体环中的至少一个环绕所述预定内部空间，并且其中沿着所述纵向轴线位于所述内部空间的中心的一侧上的磁体环的最小内半径不同于位于所述内部空间的中心的另一侧上的磁体环的最小半径。
6.根据权利要求1或2所述的磁体阵列，其中，所述磁体环相对于所述纵向轴线以反射不对称的方式布置。
7.根据权利要求1或2所述的磁体阵列，其中，所述内部空间是围绕所述纵向轴线的回转椭球体。
8.根据权利要求1或2所述的磁体阵列，其中，所述至少一个磁体环被制成单个实心元件，所述至少一个磁体环具有沿方位角(θ)坐标的有限磁化分量。
9.根据权利要求1或2所述的磁体阵列，其中，沿方位角(θ)坐标具有有限磁化分量的所述至少一个磁体环被制成为具有相等间隔的相同节段的分节段环。
10.根据权利要求1或2所述的磁体阵列，其中，每个磁体环具有包括椭圆形、圆形和多边形中之一的形状。
11.根据权利要求1或2所述的磁体阵列，包括磁体环的一个或多个额外阵列，其中额外阵列中的磁体环与各自的纵向轴线同轴，所述各自的纵向轴线与所述纵向轴线成各自的角度。
12.一种用于制造磁体阵列的方法，该方法包括：
沿着纵向轴线并与纵向轴线同轴地定位多个磁体环，其中至少一个磁体环具有旋转对称性，并且具有沿着方位角(θ)坐标的有限磁化分量和在纵向-径向平面中的有限磁化，所述多个磁体环被配置为沿着平行于纵向轴线的方向共同产生磁场；和
使用框架将多个磁体环固定地保持就位。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述多个磁体环，包括具有沿方位角(θ)坐标的有限磁化分量的所述至少一个磁体环，被配置为在预定内部空间内共同产生具有至少给定均匀性水平的磁场。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中所述多个磁体环，包括具有旋转对称性并具有沿方位角(θ)坐标的有限磁化分量的所述至少一个磁体环，被配置为共同最小化磁阵列外部的边缘场。
15.根据权利要求12或13所述的方法，其中，每个磁体环相对于磁体环围绕纵向轴线的平面内旋转具有旋转对称性。
16.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述磁体环中的至少一个磁体环环绕所述预定内部空间，并且其中沿着所述纵向轴线位于所述内部空间的中心的一侧上的磁体环的最小内半径不同于位于所述内部空间的中心的另一侧上的磁体环的最小半径。
17.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述磁体环相对于所述纵向轴线以反射不对称的方式布置。
18.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述内部空间是围绕所述纵向轴线的回转椭球体。
19.根据权利要求12或13所述的方法，其中，具有沿方位角(θ)坐标的有限磁化分量的所述至少一个磁体环被制成单个实心元件。
20.根据权利要求12或13所述的方法，其中，沿方位角(θ)坐标具有有限磁化分量的所述至少一个磁体环被制成为具有相等间隔的相同节段的分节段环。
21.根据权利要求12或13所述的方法，其中，每个磁体环具有包括椭圆形、圆形和多边形中之一的形状。
22.根据权利要求12或13所述的方法，包括定位磁体环的一个或多个额外阵列，其中额外阵列中的磁体环与各自的纵向轴线同轴，所述各自的纵向轴线与所述纵向轴线成各自的角度。
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