CN1217201C - C形磁共振成象系统 - Google Patents

Abstract

一种用于磁共振成象的敞开C形磁系统包括：圆形NdFeB磁极；单个磁轭，磁轭在立柱和磁轭水平臂之间具有向内和向外斜切的表面；立柱的颈缩中段；扁平的钕折板，与在立柱和磁轭水平臂之间的向内斜切表面以面对面关系布置。

Description

C形磁共振成象系统

技术领域

本发明涉及永久磁体结构的设计，并更具体地涉及一种敞开C形永久磁体设计。

背景技术

磁共振成象(“MRI”)主要用于医疗装置中，用以产生人体内部的优质图象。MRI基于核磁共振原理(“NMR”)、科学家用来获得微观化学信息的光谱技术以及分子的物理特性。MRI开始作为X光断层摄影成象技术，产生作为人体薄切片的NMR信号的图象。MRI现在已超过X光断层摄影成象，变为一种容积成象技术。

当原子核置于磁场中并且暴露在特定频率的不电离射频(“RF”)能量中时，产生MRI图象。发射RF脉冲，以激励原子核脱离平衡。当脉冲切断时，原子核返回其原始状态并且在此过程中发射RF频率的能量。此信号由接收器线圈拾取，并通过应用复杂的数学算法而转换成图象。

MRI系统包括主磁体、梯度系统、RF线圈、发射器、接收器和装有成象软件的计算机。MRI系统中的磁体可以是超导磁体、电磁体或永久磁体。

永久磁体系统不同于超导磁体系统，其中，超导系统需要用于保持冷却剂循环、空调系统和用于各种电子元件的大量电力和液体氦。而且，由于致冷剂的特定需求，对超导系统的现场要求也比对永久磁体系统的更苛刻。

电磁体也要求冷却(通常用水)并产生相对较弱的磁场。

强磁场、低涡流和磁场的高度均匀性对于产生良好质量的MRI图象是关键的。考虑到使用一般现有的磁性材料来制造磁体，大多数使用永久磁体的现有技术MRI系统在它们所产生的磁场强度方面受到限制。

1996年2月16日Sumitomo Special Metals Co.Ltd.的日本专利08045729公开一种用于MRI的磁场发生器，此MRI引入C形磁轭。

1996年4月24日Dong等人的中国专利94115507.2公开一种敞开C形永久磁体设计。用NdFeB制成的磁极来制造磁体的生产模型。虽然此材料具有非常好的磁性能，但它非常昂贵。因此，它未普遍应用于大的永久磁体。在Dong等人的设计中使用的NdFeB的成本仍然很高。

Dong等人的设计使用八边形磁极、极靴和极环。然而，八边形形状在八边形的角上产生高磁通密度的区域，这使成象容积(磁极之间的间隙)中的磁场形状变形。理想地，在间隙中的磁场水平横切面应是完美的圆形。如果在制造磁体之后不进行仔细的调整以纠正磁场分布，采用八边形设计是不可能实现前述圆形的。因此，Dong等人的设计在它所产生的磁场的均匀性方面具有局限性，并且缺点是需要精心的调整并有较高的涡流。

Dong等人的设计还在“C”的内角上使用阶梯形磁性材料(钢)拐角(corner)。这样做减少金属的使用量，从而降低磁体的重量和成本。然而这导致在一些区域中有太多的材料被除去而在一些区域中除去的材料又太少。这导致在钢中磁性饱和，并且增加从磁体泄漏的磁通量和磁场的大小。为了安全起见，它要求更大的房间。

在Dong等人的磁体上，极靴和极环的外缘从磁极垂直地延伸。这些极靴的功能是提高磁场在所述间隙中的一致性，但如果设计不正确，它们降低磁体的效率，因而要求使用比必需量的NdFeB还更多的量来获得所希望的磁场强度。

另外，在Dong等人的磁体被制造之后还需要大量的时间来调整。Dong等人的极靴由适合提高磁场均匀性的钢制成，然而它有非常低的电阻率，在进行MRI扫描时这会形成涡流。涡流降低系统的信噪比，导致图象更差。Dong等人的磁体由一定数量的钢板制成，这些钢板必须加工成适当的尺寸并栓接在一起。这显著增加每个磁体的成本。进而，由于磁轭栓接在一起，因此，使磁体两极之间的磁力强于保持磁轭臂平行的栓接强度的危险增加。为了消除此种危险，在磁轭臂之间增加垂直列，作为辅助支撑部件。这局部地阻塞磁极之间的间隙，使得扫描时在间隙中定位病床比较困难。

本发明的一个目的是提供一种敞开C形的、基于NdFeB的永久磁体设计，本设计使所需的NdFeB数量最小，但仍然在间隙中提供磁场的良好均匀性，使调整的需求降至最小，并且使涡流最小。

发明内容

本发明是敞开C形的永久磁体。

在本发明的一个方面中，本发明包括一种磁共振成象磁系统，该磁系统包括由单个铸钢件形成的一般为C形的磁轭。所述磁轭具有立柱、从所述立柱每一端延伸的斜截面以及从每个所述斜截面延伸的基本水平的臂，其中，所述斜截面具有向内弯和向外弯的表面。一对磁极支撑在所述臂上，所述磁极基本由NdFeB制成并具有相向的和间隔布置的磁极表面，以确定在它们之间的成象容积。所述立柱在其中间具有缩小宽度的部分。所述臂与所述成象容积相邻的端部也在与所述成象容积相反的侧上被向内斜切。基本扁平的磁化NdFeB板安装在每个所述斜截面的内表面上，与所述内表面成面对面关系，所述内表面和所述板确定一个与所述立柱大致成45°的角，并且，所述板被极化，以抑制在最近的磁极和立柱之间泄漏的磁通量。磁性材料的复合极板在每个所述磁极表面上各安装一个。每个所述极板包括在层间具有绝缘粘附剂的带状缠绕层叠的薄硅钢板，所述层叠板分割成多个楔形元件，所述楔形元件通过在各个元件之间的绝缘粘附剂形成圆盘形状。每个所述极板覆盖一层高电阻率的材料，并且极环安装在每个所述极板上。

在本发明的另一方面，所述成象容积具有至少0.47m的高度，所述磁极的直径为1.0-1.2m，并且所述极板的厚度为45-60mm。立柱的高度为1.8-1.9m，所述斜截面的宽度为1.2-1.4m，并且所述立柱的深度为1.7-1.9m。

根据本发明的敞开C形永久磁体产生0.35T的中等磁场强度，这比工业上可行的其它永久磁体设计好得多。

参照以下对优选实施例的详细描述，将更加完全地理解本发明。

附图说明

优选实施例将结合附图进行描述，在附图中：

图1为根据本发明优选实施例的磁体结构的透视图；

图2为磁体结构的俯视图；

图3为磁体结构的正视图；

图4为磁体结构的侧视图；

图5为示出极板一般布置的透视图；以及

图6为示出极环一般布置的透视图。

具体实施方式

图1为示出体现本发明的磁体结构的总体外观的透视图。

所述磁体的主要部件是磁轭1、磁极2、拐角NdFeB磁板3、极板4和极环5。

磁轭1一般为C形。考虑到患者的舒适性以及大夫和放射科医师对患者的可达性，在标准的隧洞系统或其它敞开型系统中，C形是优选的，因为它在三面都是敞开的。敞开C形设计还提供把MRI引入到紧急外科手术中的可能性，这在将来是具有重要意义的。磁轭1具有立柱和两个从立柱延伸的水平臂10。磁极2悬挂在臂10的端部。极板4和极环5设置在磁极2的表面上。在相对的极环5之间的间隙确定成象容积，此间隙优选为0.47m或更大。对于磁轭1，其高度优选为1.83m，在最宽处的宽度优选为1.31m，深度优选为1.8m。磁极2的直径优选为1.11m。可以预料，这些尺寸可以变化，从而磁极的直径为1.0-1.2m并且极板厚度为45-60mm。立柱的高度为1.8-1.9m，并且斜截面的宽度为1.2-1.4m。立柱的深度(厚度)为1.7-1.9m。

产生如此的磁体尺寸、间隙大小和大的均匀磁场容积，从而允许磁体用作全身扫描系统。

从图1可看出，在磁轭1的臂10的内表面上安装两个相对的极化的磁体元件或磁极2，磁极2为NdFeB的永久磁化材料。磁极2的相向表面设置有极板4和极环5。它们的制造材料适合于把所述间隙中心的磁场定形为对MRI而言非常均匀的理想分布。极板4和极环5中所用材料的特性下面进一步描述。

如图4所示，拐角NdFeB磁板3安装在磁轭1的内弯表面上，磁板3与磁轭内弯角是面对面的关系。磁板3被极化，以便抑制从臂和磁极到磁轭的立柱建立回路。这提高成象容积中的磁场均匀性。

磁轭1起到两个主要作用，即，为磁场提供低磁阻回路和为磁极2提供机械支撑。设计图1-4所示磁轭的精确形状，以便为MRI应用获得提高的磁性能，同时尽可能地为患者提供敞开区域。以上设计的特征为：图4中示出的在顶部和底部、前面和后面上的倾斜表面12、14、16、18、20和22；从图1和3中最清楚看出的颈缩截面24；以及上面提及的主要尺寸。所有这些用于保持功能性和有效性，同时尽可能地减少磁体的重量。

磁轭1也由单个铸钢件形成。这具有以下重要意义。它降低加工和装配单件大钢板的成本，这在需要制造许多相同的单元时非常重要。它还确保所生产的所有单元都具有相同的性质，因为它们全都由相同的模具制造。最后，它提高磁轭的结构完整性。由于磁极相互强烈地吸引并且上部磁极的重量也不是可以忽略的，因此，磁轭1的臂10必须能承受这些力并且防止磁极2聚拢，这是一个重要的安全问题。事实上，磁轭必须足够坚固，以使所述臂保持平行。即使它们稍微偏斜一点，间隙中的磁场均匀性也会受到损害。以图示形状单件铸造磁轭保证磁轭的强度大得足以防止磁极聚拢并保证磁极相互平行。在C形构造中，使用由各个钢板栓接在一起而制成的但不使用辅助支柱等的磁轭不容易实现上述目标，辅助支柱等会妨碍设计的敞开度。在其它永久磁体设计中，没有采用C形磁轭，而是使用围绕磁极的4个等距隔开的柱，或者采用已用过的具有两个支撑柱的C形。

如图1所示，拐角钕(NdFeB)板3位于磁轭的内弯表面上。根据前文所解释的，由于磁轭尺寸尽可能地减小，因此这使磁极2接近于磁轭的垂直背部。一般而言，这会使所述间隙中的磁场变形，因为一些应当垂直通过两个磁极之间的磁通量会更容易“短路”回到磁轭。这会有害地影响均匀性。为了补偿该影响，使用拐角元件3并以图示45°度角安装，这对防止磁场变形是最有效的。为了不用拐角磁元件而防止此种变形，磁轭臂需要明显地延长，以便磁极2远离磁轭的垂直段。然而这会大大地增加磁轭的重量(因为所有增加的材料)并会使保持臂平行的问题复杂化。对在每个拐角中使用的永久磁体材料的体积优化，以确保在所述间隙中的磁场尽可能地均匀，对于本设计，优选8000cm³。

如前所述，图1所示的极极4和极环5对于控制间隙中的磁场一致性是非常重要的。极板4必须有一定的厚度，使得磁极的永久磁性材料所产生的磁场最终基本上达到平衡，其中极板4安装在磁极上，然而，极板4不能太厚，因为这会显著降低磁场的强度。对于本设计，极板4的厚度优选为53mm。极环5的作用是增加间隙中均匀磁场区域的容积，并且，极环5的高度和宽度为此而仔细地优化。对于本设计，极环5的横截面优选为67mm高和83mm宽。这些元件优选由钢或其它具有相似磁特性的材料制成，以便适当地对磁场定形同时不降低磁场强度或不达到磁性饱和，其中，磁性饱和降低磁体的效率并增加泄漏的磁通量。

极板4和极环5所用材料的另外一个重要特性是电阻率。在MRI扫描过程中，对这些部件使用纯钢或纯铁导致在元件中易于产生涡流，从而在图象中出现假象。为了在该磁体中降低此种影响，用于极板和极环的材料为本身已折叠并层叠在一起的薄硅钢板。

如图5和图6所示，极板层叠材料元件切割成饼形部分并再组装，以便防止涡流通过环绕所述元件的整个圆形通路。材料的选择和生产此种层叠组件对于磁体的性能都是关键的，因为磁性能和电气性能都是重要的并且不容易对两者同时最优化。

极板4通过以下步骤构造：在螺旋盘中“带状缠绕”长的硅钢薄带，并且在螺旋物的连续层之间涂敷绝缘环氧树脂，把它们固定在一起。以此方式，所述板构造成适当的外形尺寸。一旦粘附剂凝固，就对所述板的顶部和底部进行磨削和蚀刻，保证所述为适当的厚度。然而，此板切割成几个楔形部分以防止涡流围绕所述卷循环。接着，用绝缘环氧树脂把这些部分重新结合。这产生固体板，此板然后加工出用于极环和磁轭的正确安装孔。极环也使用带状缠绕层叠结构以相似的方式制造。它切割成几个部分，粘合在一起并粘合到层叠极板的顶部上。已发现，制造层叠的复合极板的此种方式有效地减少涡流。

所用的材料是比其它钢具有更高电阻率的硅钢，硅钢对于减少涡流是重要的。然而，与固体金属相比，层叠结构对磁场的影响是不好的。为此，叠层填充因数应尽可能地高，这要求卷绕非常薄的金属带并需要良好的工艺控制。

应该理解，只要不偏离本发明的原理，可对上述优选实施例进行一定的改变。

Claims (3)

1.一种磁共振成象磁系统，其中包括：

由单个铸钢件形成的C形磁轭(1)；

所述磁轭(1)具有立柱、从所述立柱每一端延伸的斜截面、以及从每个所述斜截面延伸的基本水平的臂(10)，其中，所述斜截面具有向内弯和向外弯的表面；

一对支撑在所述臂(10)上的磁极(2)，所述磁极(2)基本由NdFeB制成并具有相对并间隔布置的磁极表面，以确定在它们之间的成象容积；

所述立柱在其中间具有缩小宽度的部分；

所述臂(10)的与所述成象容积相邻的端部在与所述成象容积相反的侧上被向内斜切；

安装在每个所述斜截面的内表面上的基本扁平的磁化NdFeB板(3)，与所述内表面成面对面关系，所述内表面和所述板NdFeB(3)确定一个与所述立柱大致成45°的角，所述NdFeB板(3)被极化，以抑制在最近的磁极(2)和立柱之间泄漏的磁通量；

一对磁性材料的复合极板(4)，在每个所述磁极表面上各安装一个，每个所述极板(4)包括在层间具有绝缘粘附剂的带状缠绕层叠的薄硅钢板，所述层叠板分割成多个楔形元件，所述楔形元件通过在各个元件之间的绝缘粘附剂形成圆盘形状；

每个所述极板(4)覆盖一层高电阻率的材料；以及

安装在每个所述极板(4)上的极环(5)。

2.如权利要求1所述的磁系统，其中，所述成象容积具有至少0.47m的高度，所述磁极(2)的直径为1.0-1.2m，并且所述极板(4)的厚度为45-60mm。

3.如权利要求2所述的磁系统，其中，立柱的高度为1.8-1.9m，所述斜截面的宽度为1.2-1.4m，并且所述立柱的深度为1.7-1.9m。

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