CN201804651U - 医用核磁共振成像仪永磁磁系 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种医用核磁共振成像仪永磁磁系，属于磁路设计领域。本实用新型在圆筒形轭铁内表面设有磁体，磁体内表面设有无磁钢；磁系在轴线方向分层设置，每一层由磁性能不同的磁体组成，从中间层到两侧相对称设置的磁体的磁性能逐层增高。本实用新型磁系分层设计能在得到高磁场的前提下保证磁系内部磁场的均匀性，避免由于使用补偿线圈所引起的磁体老化难题。采用圆筒式设计能使磁场超过1T，这是目前其它医用磁共振仪永磁磁系设计方法所达不到的。磁系较短，长度仅为1.6m，大大减少病人幽闭恐惧且能满足功能检查的需要。本实用新型磁场可达到的范围为(0.2～1.5)T，磁场均匀性小于100ppm。

Description

医用核磁共振成像仪永磁磁系

技术领域

本实用新型涉及一种医用核磁共振成像仪永磁磁系，属于磁路设计领域。

背景技术

医用磁共振成像(MRI)系统是现代临床诊断中的先进医学影像装备，由于其对人体无害、软组织分辨率高等突出的优点，在临床上得到广泛应用。MRI系统的性能与其所用磁系的场强有着直接的关系，场强越高，性能也越高。磁场强度的大小对MRI设备图像的影响是：在信噪比方面，磁场强度越高，信号强度越大，信噪比越高(但不是线性关系)。另外磁场强度高，扫描时间短。一般来说，人们把磁体场强在0.5T以下的MRI仪称为低场装置，0.5T到1.0T之间称中场装置，1.0到2.0T之间的称高场装置。目前医用磁共振成像(MR工)系统磁系所达到的高场，都是通过超导磁体来实现的，但超导磁体MRI需要液氦来提供线圈的工作环境，所以超导磁体MRI的销售价格和运行成本都相对较高。永磁低场强MRI的销售和运行成本相对较低，近年来发展迅速，目前已经成为国内临床常规诊断的主流机型，但永磁MRI的发展受制于其场强，长期以来一直被人认为是低档MRI。我国新奥博为技术有限公司成功研制出0.7T永磁磁共振成像系统技术xSTAR 7000。这是目前世界上场强最高的永磁磁共振成像系统术。MRI系统要求永磁磁系工作区磁场具有很高的均匀性。目前永磁MRI的磁体采用开放平板式设计，此种磁路不能达到很高的磁场但易于在磁体外部加入补偿线圈来提高磁场的均匀性，但是此方法的缺点在于补偿线圈发热会使永磁体发生不可逆损失，而影响永磁体材料的磁性能。若安装磁体温度稳定装置则使磁系的体积、技术水平、成本都受到了影响。如果将磁系设计成圆筒形则磁场可以达到1.5T，如中国专利CN85106663A所叙述的磁系，它的磁系包括圆筒形轭铁，轭铁内表面由多块扇形磁体形成环形磁系，此种磁系由于不易安装补偿线圈，无法解决磁场均匀性的问题，因此它仍不能应用于医用磁共振成像(MRI)系统。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种能够达到均匀、高磁场的医用核磁共振成像仪永磁磁系。

技术解决方案：

本实用新型在圆筒形轭铁内表面设有磁体，磁体内表面设有无磁钢；磁系在轴线方向分层设置，每一层由磁能积不同的磁体组成，磁性从中间层到两侧对称设置的边缘层逐渐增高。

磁系中的中间层两侧对称设置的磁体性能一致，中间层磁体的剩磁1～1.2T。

磁系中相临的两层磁体，外层磁体比内层磁体的剩磁提高0.02～0.2T。

磁系中间层厚度范围30～50cm，其它层厚度比中间层减少10～15cm。

磁系径向厚度为圆筒型气隙空间半径r的0.2～3倍。

磁系工作区磁场：0.5～1.5T，磁场均匀性小于100ppm。

本实用新型与目前核磁共振磁系设计方法比较具有以下优点：

(1)磁系分层设计能在得到高磁场的前提下保证磁系内部磁场的均匀性，避免使用补偿线圈温度升高带来的磁体老化难题。

(2)采用圆筒式设计能使磁场超过1T，这是目前其它核医用磁共振仪永磁磁系设计方法所达不到的。

(3)磁系较短，长度仅为1.6米，大大减少病人幽闭恐惧且能满足功能检查的需要。

附图说明：

图1为本实用新型磁系截面图；

图2为本实用新型磁系分层结构示意图；

图3为本实用新型磁体磁化方向示意图；

图4本实用新型轴线磁场对比图；

图5本实用新型截面空间磁场分布图；

图6本实用新型分层磁场对比图；

图7本实用新型分层磁场均匀性效果图；

图8本实用新型磁系工作区磁场分布。

具体实施方式

本实用新型是以“磁荷”概念及磁库仑定律为基础进行计算的。钕铁硼磁体的退磁曲线的主要特点是其方形度很好，即在工作点的很大范围内(H≤H_k)，磁化强度M都接近于Mr，即M≈Mr。因此，在工作点的很大范围内可以近似地认为M≈Mr。由此，磁体的体磁荷可以忽略不计，而只考虑面磁荷，而且面磁荷的分布极近似于均匀。由于面磁荷密度：σ＝M_n，所以面磁荷和磁化强度的关系是和每一层的磁体块数有关的。如果把磁系横截面分成16块磁体，每块磁体磁化方向如图3所示，计算公式如下：

σ₁＝M，σ₂＝M cos45°＝0.707M，σ₃＝M cos45°＝0.707M，σ₄＝M cos90°＝0

σ_a＝2M sin11.25°＝0.39M

σ_b＝M sin11.25°+M sin56.25°＝1.027M

σ_c＝M sin56.25°-M sin33.75°＝0.276M

σ_d＝M sin78.75°-M sin33.75°＝0.425M

磁场计算公式：

分成16块小磁体的磁系内部轴线上的磁场：

(1)1，2，3，4类型面磁荷在中心点的磁场：

(2)a，b，c，d类型面磁荷在中心点的磁场：

总磁场为

H＝H₁+H₂＝4πMR

$R=\frac{1.962J+1.501K}{\mathrm{\π}}$

$K=\ln \frac{(\sqrt{D+P^2}+P)(\sqrt{1+M^2}+M)(\sqrt{{D+N}^2}+N)(\sqrt{{1+Q}^2}+Q)}{(\sqrt{{D+M}^2}+M)(\sqrt{1+P^2}+P)(\sqrt{{D+Q}^2}+Q)(\sqrt{{1+N}^2}+N)}$

$J=2({\tan }^{-1}\frac{\mathrm{tM}}{\sqrt{{4M}^2+s}}-{\tan }^{-1}\frac{\mathrm{tN}}{\sqrt{{4N}^2+d}}+{\tan }^{-1}\frac{\mathrm{tP}}{\sqrt{{4P}^2+s}}-{\tan }^{-1}\frac{\mathrm{tQ}}{\sqrt{{4Q}^2+s}})$

上述内容已对轴线上磁场进行计算，其他空间的磁场和轴线上的磁场大小和均匀性是一致的，且已通过小型实验证明。

实施例1

本实用新型磁系参数：磁系长度25cm，内径为2cm，磁体径向厚度为4cm，截面分成16块扇形磁体，磁体性能为1.1T。

利用粘接法将磁系组装后，对磁系进行测量得出轴线上的磁场并和计算结果比对，结果基本吻合，如图4。在磁系同一截面轴线以外的各点测量磁场，结果比较均匀，如图5。因此本实验可以证明用本设计方法可以得到目标磁场。

实施例2：

本实用新型磁系包括圆筒形轭铁1，圆筒形轭铁1内部围绕气隙空间布置的圆筒形磁体2形成磁系，磁系内表面处设有无磁钢3，无磁钢3围成的气隙成圆筒型立体空间；磁系在轴线方向分5层设置，中间层两侧对称设置的磁体2的磁性能是一致的，从中间层到两侧对称设置的磁体2的磁性能逐层增高。本实用新型磁体2由一系列扇形磁体组成，这些扇形磁体的磁化方向沿圆周方向等角度渐变，形成两个磁极，磁场方向垂直于轴向，磁化方向如此排列可以用较少磁体获得较高磁场。

磁系参数：内径为25cm，磁体2径向厚度为50cm，轴向分5层，每层分16块磁体，中间层厚度40cm、其他4层厚度为30cm，中间层磁体磁性(剩磁)1T，与中间层相邻的两层磁体磁性(剩磁)1.1T，边缘两层磁体磁性(剩磁)1.4T。

通过对磁场计算，磁场可达到的范围为1.4特斯拉，磁场均匀性等于10ppm。结果表明如将磁系分层将大大提高磁场的均与性，并可以达到核磁共振成像仪的要求，磁系工作区(在磁系中心处长为气隙半径2倍的圆筒型空间)的磁场均匀性见图6、图7。

实施例3：

本实用新型磁系包括圆筒形轭铁1，圆筒形轭铁1内部围绕气隙空间布置的圆筒形磁体2形成磁系，磁系内表面处设有无磁钢3，无磁钢3围成的气隙成圆筒型立体空间，磁系在轴线方向分5层设置，以中间层为对称，中间层两侧相对称设置的磁体2的磁性能是一致的，从中间层到两侧相对称设置的磁体2的磁性能逐层增高。本实用新型磁体2由一系列扇形磁体组成，这些扇形磁体的磁化方向沿圆周方向等角度渐变，形成两个磁极，磁场方向垂直于轴向，磁化方向如此排列可以用较少磁体获得较高磁场。

磁系参数：内径为15cm，磁体径向厚度为30cm，轴向分5层，每层分16块磁体，中间层厚度20cm、其他4层厚度为15cm，中间层磁体磁性(剩磁)1.2T，与中间层相邻的两层磁体磁性(剩磁)1.29T，边缘两层磁体磁性(剩磁)1.46T。

通过对磁场计算，磁场可达到1.4特斯拉。结果表明：磁系工作区(在磁系中心处长为气隙半径2倍的圆筒型空间)的磁场通过分层调节达到核磁共振成像仪的要求，如图8所示。

Claims (5)

1.医用核磁共振成像仪永磁磁系，所述磁系包括圆筒形轭铁，其特征在于，在圆筒形轭铁内表面设有磁体，磁体内表面设有无磁钢；所述磁系在轴线方向分层设置，每一层由磁性能不同的磁体组成，从中间层到两侧相对称设置的磁体的磁性能逐层增高。

2.根据权利要求1所述的医用核磁共振成像仪永磁磁系，其特征在于，磁系中的中间层两侧对称设置的磁体性能一致，中间层磁体的剩磁1～1.2T。

3.根据权利要求1或2所述的医用核磁共振成像仪永磁磁系，其特征在于，磁系中相临的两层磁体，外层磁体比内层磁体的剩磁提高0.02～0.2T。

4.根据权利要求3所述的医用核磁共振成像仪永磁磁系，其特征在于，磁系中间层厚度范围30～50cm，其它层厚度比中间层减少10～15cm。

5.根据权利要求4所述的医用核磁共振成像仪永磁磁系，其特征在于，磁系径向厚度为圆筒型气隙空间半径r的0.2～3倍。 

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