CN1588582A

CN1588582A - 薄片形磁场全开放磁共振成像仪主磁体

Info

Publication number: CN1588582A
Application number: CN 200410050357
Authority: CN
Inventors: 谢德馨; 张艳丽; 白保东; 曾林锁; 朱妍
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2004-09-01
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2024-09-01
Also published as: CN1278341C

Abstract

本发明涉及一种薄片形磁场全开放磁共振成像仪用的永磁主磁体，其结构包括永磁磁极和铁轭，其特征是磁极5、6、7、8和铁轭12、13与磁极1、2、3、4和铁轭10、11对称地分布于左、右两侧，通过磁极5、8、4、1固定在铁轭9平面上，磁极1和2，5和6分别通过铁轭10、12连接，铁轭11和13，分别与磁极2和6连接；磁极3和4，7和8分别相互连接，装配于铁轭9表面的中心位置，其磁极3、7和一对铁轭11、13的非连接表面为曲面或折平面，所形成的薄片形高均匀度磁场样品区14位于主磁体整体的中心偏上位置，本发明的优点是主磁体整体结构简单，开放性好，且重量大大地低于常规磁共振成像仪主磁体，进而能较大地降低成本。

Description

薄片形磁场全开放磁共振成像仪主磁体

技术领域

本发明涉及一种磁共振成像仪用的永磁主磁体。

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。

本发明磁共振成像仪用的永磁主磁体构成，包括永磁磁极、铁轭，其要点是：永磁结构由8组永磁磁极通过5个铁轭相连接，磁极5、6、7、8和铁轭12、13与磁极1、2、3、4和铁轭10、11以座标Y、Z轴形成的平面为中心，对称分布在左、右两侧，并通过磁极5、8、4、1固定在铁轭9的平面上，其磁极1、2通过铁轭10连接，铁轭11与磁极2连接，磁极5、6通过铁轭12连接，铁轭13与磁极6连接，磁极3与4连接，7与8连接，装配于铁轭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。

上述磁极1、5分别由n块平行排放的极块组成，n≥2，各极块沿Z轴方向的长度可以相等或不相等，其横截面(即在XY平面内的截面)为矩形或梯形，其高度和宽度可以相等或不相等。磁极2、6的横截面为矩形，分别通过铁轭10、12与磁极1、5的各极块相连接构成磁路。磁极2、铁轭10与磁极5、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；磁极2、6面向样品区14方向的侧面和上表面，分别与铁轭11、13相连接，铁轭11、13面向样品区14的表面为曲面。磁极3和4相连接，磁极7和8相连接，处于磁极1与5之间，并对称装配于铁轭9的中间部位，磁极3和4与7和8间可以相连接，也可以有间隙。磁极3和7，其横截面可以是梯形，或上表面和侧面为曲面；磁极4和8，其横截面为矩形。

铁轭9作为底座与磁极1、4、5、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，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，修改铁轭11、13和磁极3、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、薄片形磁场全开放磁共振成像仪主磁体结构示意图；

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、磁极1，2、磁极2，3、磁极3，4、磁极4，5、磁极5，6、磁极6，7、磁极7，8、磁极8，9，铁轭9，10、铁轭10，11、铁轭11，12、铁轭12，13、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，磁极1和磁极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；组成磁极5与磁极1的各极块，以及与其分别相连接的铁轭12、13和磁极6与铁轭10、11和磁极2，以Y、Z轴形成的平面为中心，对称地排布在左、右两边。磁极1和磁极5下面为平面，与铁轭9连接，上面分别通过铁轭10、铁轭12与磁极2、磁极6连接。铁轭10和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磁极1、5的上表面连接，与阶梯形边垂直并靠近中心一侧的表面，分别与磁极2、6远离中心平面的侧面相连接；磁极2和磁极6面向样品区14的表面和上表面分别与铁轭11、13相接，铁轭11和13面向样品区14的表面为曲面，铁轭11、13又称为极靴，磁极2、6、4、8的横截面均为矩形，磁极3、7横截面为梯形。磁极4的上表面和磁极3的下表面连接，磁极8的上表面与磁极7的下表面连接，磁极7、8与3、4以Y、Z轴形成的平面为中心，对称于左、右两边，并通过磁极4、8下表面与铁轭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，铁轭11、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。

长方体磁极1和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)，磁极1与磁极5的磁化方向相反；磁极2、4、6、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)其中磁极2、6的磁化方向相同，它们的磁化方向与磁极4、8相反；磁极3和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，其磁化方向与磁极4、8相同，分别平行于梯形底边。

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)磁极3、4与磁极7、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)磁极3、7的上表面为曲面；(3)组成磁极1和磁极5的各极块的横截面分别为梯形，与之相连接的铁轭10与12其相接触的表面也成为折平面；(4)上述构成主磁体的磁极1、2、5、6选用稀土钴材料制作，磁极3、4、7、8采用钕铁硼材料制作，铁轭11和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。不同的是磁极1和磁极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；与磁极1和5相连接的铁轭10和12的横截面也均为阶梯形直角边构成的多边形。

Claims

1、一种薄片形磁场全开放磁共振成像仪用的永磁主磁体，包括永磁磁极、铁轭，其特征在于磁极(5)、(6)、(7)、(8)和铁轭(12)、(13)与磁极(1)、(2)、(3)、(4)和铁轭(10)、(11)以座标Y、Z轴形成的平面为中心，对称分布在左、右两侧，并通过磁极(5)、(8)、(4)、(1)固定在铁轭(9)的平面上，其磁极(1)、(2)通过铁轭(10)连接，铁轭(11)与磁极(2)连接，磁极(5)、(6)通过铁轭(12)连接，铁轭(13)与磁极(6)连接，磁极(3)与(4)连接，(7)与(8)连接，装配于铁轭(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所述的薄片形磁场全开放磁共振成像仪用的永磁主磁体，其特征在于所述的磁极(1)和(5)分别由n≥2个极块平行连接组成，各极块沿座标Z轴方向的长度，可以相等或不相等，其横截面为矩形或梯形，其宽度、高度可以相等或不相等，磁极(2)、(4)、(6)、(8)的横截面为矩形，磁极(3)、(7)的横截面可以是梯形，或上表面和侧面为任意曲面，铁轭(11)和(13)面向样品区(14)的表面为任意曲面。

3、按照权利要求2所述的薄片形磁场全开放磁共振成像仪用的永磁主磁体，其特征在于由n≥2个极块平行连接组成的磁极(1)和(5)的底面成一平面。

4、按照权利要求1所述的薄片形磁场全开放磁共振成像仪用的永磁主磁体，其特征在于铁轭(10)、(12)的下表面分别与磁极(1)、(5)的上表面连接，铁轭(10)、(12)靠近中心区方向的侧面分别与磁极(2)、(6)的一侧面连接，铁轭(11)、(13)分别与磁极(2)、(6)靠近中心面的侧面和上表面相连接。

5、按照权利要求1所述的薄片形磁场全开放磁共振成像仪用的永磁主磁体，其特征在于相互连接的磁极(3)和(4)，(7)和(8)，装配于铁轭(9)的中间位置时，相互间可以有间隙，也可以无间隙连接。

6、按照权利要求1、2、3、4或5所述的薄片形磁场全开放磁共振成像仪用的永磁主磁体，其特征在于分别组成磁极(1)和(5)的各极块之间磁化方向相同，并且均垂直于铁轭(9)大平面的方向，磁极(1)和(5)之间磁化方向相反，磁极(2)、(6)的磁化方向相同，磁极(3)、(4)、(7)、(8)的磁化方向相同，均平行于铁轭(9)大平面的方向，而这两组磁极(2)、(6)和(3)、(4)、(7)、(8)之间磁化方向相反。

7、按照权利要求1、2、3、4或5所述的薄片形磁场全开放磁共振成像仪用的永磁主磁体，其特征在于所述的永磁磁极，可以采用同种或异种永磁材料制作，优选钕铁硼或稀土钴材料制作；铁轭采用同种或异种铁磁材料制作，优选电磁纯铁、铁铝软磁合金或冷轧硅钢片或热轧硅钢片叠成。