CN1278341C - 用于全开放磁共振成像仪的产生薄片形磁场的永磁主磁体 - Google Patents

Abstract

一种用于全开放磁共振成像仪的产生薄片形磁场的永磁主磁体，包括磁极和铁轭，第五磁极～第八磁极和第四铁轭、第五铁轭与第一磁极～第四磁极和第二铁轭、第三铁轭以第一铁轭横截面的中心线、方向从下向上为坐标Y轴和垂直于Y轴、方向从里向外为坐标Z轴形成的平面为中心，对称分布在左、右两侧，并通过第五磁极、第八磁极、第四磁极、第一磁极固定在第一铁轭的上表平面上，其第一磁极、第二磁极通过第二铁轭连接，第三铁轭与第二磁极连接；第五磁极、第六磁极通过第四铁轭连接，第五铁轭与第六磁极连接，第三磁极与第四磁极连接，第七磁极与第八磁极连接，装配于第一铁轭上表面的中间位置，样品区位于主磁体整体中间偏上部位。其优点是开放性好。

Description

用于全开放磁共振成像仪的产生薄片形磁场的永磁主磁体

技术领域

本发明涉及一种用于全开放磁共振成像仪的产生薄片形磁场的永磁主磁体。

背景技术

传统的磁共振成像仪(以下简称MRI)采用主磁体包围被测人体的结构，使病人产生幽闭感，且医生与护士不能近距离对病人进行介入治疗。为克服这一缺点，近年来一些研究者试图设计开放型的主磁体，使被测人体完全放置在主磁体的一侧。此外，传统的MRI成本很高，价格昂贵，关键问题是该装置需要构建体积较大、集中连片的高均匀度磁场样品区(通常为直径为300mm的球形区域，其磁场不均匀度不应超过10^-5)，为此要求体积较大的主磁体。主磁体是MRI仪器中最大、最重也是最昂贵的部分。高均匀度磁场区体积越大，就需要体积越大的主磁体，传统MRI将整个被测样品区设计成灵敏区，这就是磁共振成像仪成本高的主要原因之一。为解决成本问题，有人提出了能产生“薄片形”而不是“体积形”样品区的磁体结构。

在美国专利U.S.Pat.5,744,960中，描述了一种电磁式开放型主磁体，可以解决将被测人体放在磁体一侧的问题，不过所形成的磁场灵敏区仍然是体积形的。此外，电磁式磁体在运行时需要消耗电能，并引起相应的维护问题。

在中国专利CN 137100A中，描述了一种全开放磁共振成像技术，采用了不需要运行电能、免维护的永磁型主磁体。其主要贡献是提出了一种薄片形磁场的新思路，即用磁体在其自身外侧营造一个薄片形均匀磁场样品区，将被测人体置于可移动的病床上，通过伺服控制系统使受检查组织的一个目标层面与所述样品区重合，用射频线圈发射射频场激活上述目标层面，通过梯度线圈沿薄片形磁场的两个正交方向产生梯度场对层面内的核自旋进行空间编码，并进一步进行磁共振成像，通过病床的受控移动实现层面的选择。这种薄片形磁场的设计思想可以大大减少主磁体的体积和重量，从而降低磁共振成像仪的成本。

营造上述薄片形磁场的关键是采用特殊的优化方法设计主磁体。薄片形高均匀度磁场的构建是一个全新的电工理论“反演”问题，需要采用与电磁场数值分析相结合的形状优化方法，采用网格随形变换技术，进行多参数优化。由于问题的复杂性，目前尚未见到成功范例的详细报导。

发明内容

本发明的目的是为了克服已知技术的缺点，提供一种永磁型主磁体结构，形成磁共振成像仪所需要的薄片形高均匀度磁场，使其结构简单，开放性好，且重量较大地低于目前常规磁共振成像仪的主磁体，同时较大地降低制造成本。

本发明用于全开放磁共振成像仪的产生薄片形磁场的永磁主磁体的构成，包括磁极、铁轭，其要点是：永磁结构由8组磁极通过5个铁轭相连接，第五磁极5、第六磁极6、第七磁极7、第八磁极8和第四铁轭12、第五铁轭13与第一磁极1、第二磁极2、第三磁极3、第四磁极4和第二铁轭10、第三铁轭11以第一铁轭9横截面的中心线、方向从下向上为坐标Y轴和垂直于坐标Y轴、方向从里向外的坐标Z轴形成的平面为中心，对称分布在左、右两侧，并通过第五磁极5、第八磁极8、第四磁极4、第一磁极1固定在第一铁轭9的上表平面上，其第一磁极1、第二磁极2通过第二铁轭10连接，第三铁轭11与第二磁极2连接，第五磁极5、第六磁极6通过第四铁轭12连接，第五铁轭13与第六磁极6连接，第三磁极3与第四磁极4连接，第七磁极7与第八磁极8连接，装配于第一铁轭9上表面的中间位置，产生的薄片形高均匀度磁场样品区14位于主磁体整体中间偏上部位。

上述第一磁极1、第五磁极5分别由n个磁极平行连接组成，其中n是大于等于2的自然数，各极块沿Z轴方向的长度相等或不相等，其横截面(即在XY平面内的截面)为矩形或梯形，其高度和宽度相等或不相等。第二磁极2、第六磁极6的横截面为矩形，分别通过第二铁轭10、第四铁轭12与第一磁极1、第五磁极5的各极块相连接构成磁路。第二磁极2、第二铁轭10与第五磁极5、第四铁轭12以Y、Z轴向形成的平面为中心，对称装配在左右两侧；第二磁极2、第六磁极6面向样品区14方向的侧面和上表面，分别与第三铁轭11、第五铁轭13相连接，第三铁轭11、第五铁轭13面向样品区14的表面为曲面。第三磁极3和第四磁极4相连接，第七磁极7和第八磁极8相连接，处于第一磁极1与第五磁极5之间，并对称装配于第一铁轭9的中间部位，第三磁极3和第四磁极4与第七磁极7和第八磁极8间相连接或有间隙。第三磁极3和第七磁极7，其横截面是梯形，或上表面和侧面为曲面；第四磁极4和第八磁极8，其横截面为矩形。

第一铁轭9作为底座与第一磁极1、第四磁极4、第五磁极5、第八磁极8相连接构成磁路。

上述所有极块可以采用同种或异种永磁材料制作，所有铁轭制作可以采用同种或异种铁磁材料。图中所有箭头表示磁化方向。

与已有技术相比，本发明的优点是：主磁体的整体结构简单，同时通过对上述两个基本结构的形状优化，修改第三铁轭11、第五铁轭13和第三磁极3、第七磁极7的表面形状，可以精确地构建足够大的薄片形高均匀度磁场，并大大减少主磁体的重量，较大地降低成本。其优化实施例见例1、2、3。

附图说明

图1、用于全开放磁共振成像仪的产生薄片形磁场的永磁主磁体结构示意图；

图2、主磁体横截面示意图之一，也是本发明实施例之一；

图3、主磁体横截面示意图之二，也是本发明实施例之一；

图4、主磁体所形成磁场在样品区周围的磁力线分布图。

图1、2、3、4中，1、第一磁极1，2、第二磁极2，3、第三磁极3，4、第四磁极4，5、第五磁极5，6、第六磁极6，7、第七磁极7，8、第八磁极8，9、第一铁轭9，10、第二铁轭10，11、第三铁轭11，12、第四铁轭12，13、第五铁轭13，14、样品区。

具体实施方式

例1：图2所示的主磁体结构，包括有8组磁极和5个铁轭，第一磁极1和第五磁极5，分别由4个长方体极块组成，每个极块沿座标轴Z方向的长度相等，沿X轴方向的宽度和沿Y轴方向的高度不相等；组成第五磁极5与第一磁极1的各极块，以及与其分别相连接的第四铁轭12、第五铁轭13和第六磁极6与第二铁轭10、第三铁轭11和第二磁极2，以Y、Z轴形成的平面为中心，对称地排布在左、右两边。第一磁极1和第五磁极5下面为平面，与第一铁轭9连接，上面分别通过第二铁轭10、第四铁轭12与第二磁极2、第六磁极6连接。第二铁轭10和第四铁轭12的横截面均为阶梯形直角边构成的多边形，其阶梯形一面分别与第一磁极1、第五磁极5的上表面连接，与阶梯形边垂直并靠近中心一侧的表面，分别与第二磁极2、第六磁极6远离中心平面的侧面相连接；第二磁极2和第六磁极6面向样品区14的表面和上表面分别与第三铁轭11、第五铁轭13相接，第三铁轭11和第五铁轭13面向样品区14的表面为曲面，第三铁轭11、第五铁轭13又称为极靴，第二磁极2、第六磁极6、第四磁极4、第八磁极8的横截面均为矩形，第三磁极3、第七磁极7横截面为梯形。第四磁极4的上表面和第三磁极3的下表面连接，第八磁极8的上表面与第七磁极7的下表面连接，第七磁极7、第八磁极8与第三磁极3、第四磁极4以Y、Z轴形成的平面为中心，对称于左、右两边，并通过第四磁极4、第八磁极8下表面与第一铁轭9连接。两组磁极间间隙为5mm。

薄片形矩形区域为磁场高度均匀的样品区14，位于中间偏上部位置。

上述构成主磁体的磁极材料，均选用剩磁磁密为1.2T的钕铁硼制作，第三铁轭11、第五铁轭13制作均选用电磁纯铁制造，其余铁轭采用冷轧硅钢片叠成，可形成0.28×0.24×0.005m³的样品区，其中磁通密度的值可达0.18T，磁场均匀度可达10^-4，整个主磁体重量仅为1.33吨，其中钕铁硼永磁材料和铁磁材料大约各占一半，分别约为0.67吨，大大低于常规磁共振成像仪主磁体的重量。

长方体第一磁极1和第五磁极5所形成的磁化方向平行于长方体的1个表面(沿Y轴方向)，第一磁极1与第五磁极5的磁化方向相反；第二磁极2、第四磁极4、第六磁极6、第八磁极8其磁化方向也分别平行于长方体的一个表面(沿X轴方向)其中第二磁极2、第六磁极6的磁化方向相同，它们的磁化方向与第四磁极4、第八磁极8相反；第三磁极3和第七磁极7的横截面分别为直角梯形，其梯形的直角边分别靠近中心对称面，其磁化方向与第四磁极4、第八磁极8相同，分别平行于梯形底边。第一磁极1和第二磁极2之间磁化方向为首尾相接，第六磁极6和第五磁极5之间磁化方向为首尾相接。

图4展示了一个优化实施例中主磁体所形成磁场在样品区周围区域的磁力线分布，该图形是采用恒定磁场有限元分析与形状优化、自适应网格随形剖分技术相结合而得出的。

例2、如图3所示，其主要结构与例1相同。不同的是(1)第三磁极3、第四磁极4与第七磁极7、第八磁极8面向中心对称平面的表面间相互连接，即沿X方向间无间隙；(2)第三磁极3、第七磁极7的上表面为曲面；(3)组成第一磁极1和第五磁极5的各极块的横截面分别为梯形，与之相连接的第二铁轭10与第四铁轭12其相接触的表面也成为折平面；(4)上述构成主磁体的第一磁极1、第二磁极2、第五磁极5、第六磁极6选用稀土钴材料制作，第三磁极3、第四磁极4、第七磁极7、第八磁极8采用钕铁硼材料制作，第三铁轭11和第五铁轭13采用铁铝软磁合金制作，其余铁轭采用热轧硅钢片叠成。所形成的样品区范围、磁场均匀度和主磁体重量均可达到上例的水平，样品区中磁通密度值可达到0.16T。

例3、其主要结构与例1相同。不同的是第一磁极1和第五磁极5各由2个极块组成，各极块为长方矩形块，其各极块长度不相等，宽、高均相等；与第一磁极1和第五磁极5相连接的第二铁轭10和第四铁轭12的横截面也均为阶梯形直角边构成的多边形。

Claims (7)

1、一种用于全开放磁共振成像仪的产生薄片形磁场的永磁主磁体，包括磁极、铁轭，其特征在于第五磁极(5)、第六磁极(6)、第七磁极(7)、第八磁极(8)和第四铁轭(12)、第五铁轭(13)与第一磁极(1)、第二磁极(2)、第三磁极(3)、第四磁极(4)和第二铁轭(10)、第三铁轭(11)以第一铁轭(9)横截面的中心线、方向从下向上为坐标Y轴和垂直于Y轴、方向从里向外为坐标Z轴形成的平面为中心，对称分布在左、右两侧，并通过第五磁极(5)、第八磁极(8)、第四磁极(4)、第一磁极(1)固定在第一铁轭(9)的上表平面上，其第一磁极(1)、第二磁极(2)通过第二铁轭(10)连接，第三铁轭(11)与第二磁极(2)连接；第五磁极(5)、第六磁极(6)通过第四铁轭(12)连接，第五铁轭(13)与第六磁极(6)连接，第三磁极(3)与第四磁极(4)连接，第七磁极(7)与第八磁极(8)连接，装配于第一铁轭(9)上表面的中间位置，产生的薄片形高均匀度磁场样品区(14)位于主磁体整体中间偏上部位。

2、按照权利要求1所述的用于全开放磁共振成像仪的产生薄片形磁场的永磁主磁体，其特征在于所述的第一磁极(1)和第五磁极(5)分别由n个磁极平行连接组成，其中n是大于等于2的自然数，各极块沿从里向外的坐标Z轴方向的长度相等或不相等，其横截面为矩形或梯形，其宽度、高度相等或不相等，第二磁极(2)、第四磁极(4)、第六磁极(6)、第八磁极(8)的横截面为矩形，第三磁极(3)、第七磁极(7)的横截面是梯形，或上表面和侧面为任意曲面，第三铁轭(11)和第五铁轭(13)面向样品区(14)的表面为任意曲面。

3、按照权利要求2所述的用于全开放磁共振成像仪的产生薄片形磁场的永磁主磁体，其特征在于由n个磁极平行连接组成的第一磁极(1)和第五磁极(5)的底面成一平面，其中n是大于等于2的自然数。

4、按照权利要求1所述的用于全开放磁共振成像仪的产生薄片形磁场的永磁主磁体，其特征在于第二铁轭(10)、第四铁轭(12)的下表面分别与第一磁极(1)、第五磁极(5)的上表面连接，第二铁轭(10)、第四铁轭(12)靠近中心区方向的侧面分别与第二磁极(2)、第六磁极(6)的一侧面连接，第三铁轭(11)、第五铁轭(13)分别与第二磁极(2)、第六磁极(6)靠近中心面的侧面和上表面相连接。

5、按照权利要求1所述的用于全开放磁共振成像仪的产生薄片形磁场的永磁主磁体，其特征在于相互连接的第三磁极(3)和第四磁极(4)，第七磁极(7)和第八磁极(8)，装配于第一铁轭(9)的中间位置，相互间有间隙或无间隙连接。

6、按照权利要求1、2、3、4或5所述的用于全开放磁共振成像仪的产生薄片形磁场的永磁主磁体，其特征在于分别组成第一磁极(1)和第五磁极(5)的各极块之间磁化方向相同，并且均垂直于第一铁轭(9)上表平面方向，第一磁极(1)和第五磁极(5)之间磁化方向相反，第二磁极(2)、第六磁极(6)的磁化方向相同，第三磁极(3)、第四磁极(4)、第七磁极(7)、第八磁极(8)的磁化方向相同，均平行于第一铁轭(9)上表平面并垂直于坐标Z轴，而第二磁极(2)、第六磁极(6)和第三磁极(3)、第四磁极(4)、第七磁极(7)、第八磁极(8)之间磁化方向相反，第一磁极(1)和第二磁极(2)之间磁化方向为首尾相接，第六磁极(6)和第五磁极(5)之间磁化方向为首尾相接。

7、按照权利要求1、2、3、4或5所述的用于全开放磁共振成像仪的产生薄片形磁场的永磁主磁体，其特征在于多个所述的磁极，采用同种或异种永磁材料制作；多个所述的铁轭采用同种或异种铁磁材料制作。

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