專利名稱：C形磁共振成象系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及永久磁體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，并更具體地涉及一種敞開C形永久磁體設(shè)計(jì)。
當(dāng)原子核置于磁場(chǎng)中并且暴露在特定頻率的不電離射頻(“RF”)能量中時(shí)，產(chǎn)生MRI圖象。發(fā)射RF脈沖，以激勵(lì)原子核脫離平衡。當(dāng)脈沖切斷時(shí)，原子核返回其原始狀態(tài)并且在此過程中發(fā)射RF頻率的能量。此信號(hào)由接收器線圈拾取，并通過應(yīng)用復(fù)雜的數(shù)學(xué)算法而轉(zhuǎn)換成圖象。
MRI系統(tǒng)包括主磁體、梯度系統(tǒng)、RF線圈、發(fā)射器、接收器和裝有成象軟件的計(jì)算機(jī)。MRI系統(tǒng)中的磁體可以是超導(dǎo)磁體、電磁體或永久磁體。
永久磁體系統(tǒng)不同于超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，其中，超導(dǎo)系統(tǒng)需要用于保持冷卻劑循環(huán)、空調(diào)系統(tǒng)和用于各種電子元件的大量電力和液體氦。而且，由于致冷劑的特定需求，對(duì)超導(dǎo)系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)要求也比對(duì)永久磁體系統(tǒng)的更苛刻。
電磁體也要求冷卻(通常用水)并產(chǎn)生相對(duì)較弱的磁場(chǎng)。
強(qiáng)磁場(chǎng)、低渦流和磁場(chǎng)的高度均勻性對(duì)于產(chǎn)生良好質(zhì)量的MRI圖象是關(guān)鍵的?？紤]到使用一般現(xiàn)有的磁性材料來制造磁體，大多數(shù)使用永久磁體的現(xiàn)有技術(shù)MRI系統(tǒng)在它們所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度方面受到限制。
1996年4月24日Dong等人的中國專利94115507.2公開一種敞開C形永久磁體設(shè)計(jì)。用NdFeB制成的磁極來制造磁體的生產(chǎn)模型。雖然此材料具有非常好的磁性能，但它非常昂貴。因此，它未普遍應(yīng)用于大的永久磁體。在Dong等人的設(shè)計(jì)中使用的NdFeB的成本仍然很高。
Dong等人的設(shè)計(jì)使用八邊形磁極、極靴和極環(huán)。然而，八邊形形狀在八邊形的角上產(chǎn)生高磁通密度的區(qū)域，這使成象容積(磁極之間的間隙)中的磁場(chǎng)形狀變形。理想地，在間隙中的磁場(chǎng)水平橫切面應(yīng)是完美的圓形。如果在制造磁體之后不進(jìn)行仔細(xì)的調(diào)整以糾正磁場(chǎng)分布，采用八邊形設(shè)計(jì)是不可能實(shí)現(xiàn)前述圓形的。因此，Dong等人的設(shè)計(jì)在它所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的均勻性方面具有局限性，并且缺點(diǎn)是需要精心的調(diào)整并有較高的渦流。
Dong等人的設(shè)計(jì)還在“C”的內(nèi)角上使用階梯形磁性材料(鋼)拐角(corner)。這樣做減少金屬的使用量，從而降低磁體的重量和成本。然而這導(dǎo)致在一些區(qū)域中有太多的材料被除去而在一些區(qū)域中除去的材料又太少。這導(dǎo)致在鋼中磁性飽和，并且增加從磁體泄漏的磁通量和磁場(chǎng)的大小。為了安全起見，它要求更大的房間。
在Dong等人的磁體上，極靴和極環(huán)的外緣從磁極垂直地延伸。這些極靴的功能是提高磁場(chǎng)在所述間隙中的一致性，但如果設(shè)計(jì)不正確，它們降低磁體的效率，因而要求使用比必需量的NdFeB還更多的量來獲得所希望的磁場(chǎng)強(qiáng)度。
另外，在Dong等人的磁體被制造之后還需要大量的時(shí)間來調(diào)整。Dong等人的極靴由適合提高磁場(chǎng)均勻性的鋼制成，然而它有非常低的電阻率，在進(jìn)行MRI掃描時(shí)這會(huì)形成渦流。渦流降低系統(tǒng)的信噪比，導(dǎo)致圖象更差。Dong等人的磁體由一定數(shù)量的鋼板制成，這些鋼板必須加工成適當(dāng)?shù)某叽绮⑺ń釉谝黄?。這顯著增加每個(gè)磁體的成本。進(jìn)而，由于磁軛栓接在一起，因此，使磁體兩極之間的磁力強(qiáng)于保持磁軛臂平行的栓接強(qiáng)度的危險(xiǎn)增加。為了消除此種危險(xiǎn)，在磁軛臂之間增加垂直列，作為輔助支撐部件。這局部地阻塞磁極之間的間隙，使得掃描時(shí)在間隙中定位病床比較困難。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種敞開C形的、基于NdFeB的永久磁體設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)使所需的NdFeB數(shù)量最小，但仍然在間隙中提供磁場(chǎng)的良好均勻性，使調(diào)整的需求降至最小，并且使渦流最小。
在本發(fā)明的一個(gè)方面中，本發(fā)明包括一種磁共振成象磁系統(tǒng)，該磁系統(tǒng)包括由單個(gè)鑄鋼件形成的一般為C形的磁軛。所述磁軛具有立柱、從所述立柱每一端延伸的斜截面以及從每個(gè)所述斜截面延伸的基本水平的臂，其中，所述斜截面具有向內(nèi)彎和向外彎的表面。一對(duì)磁極支撐在所述臂上，所述磁極基本由NdFeB制成并具有相向的和間隔布置的磁極表面，以確定在它們之間的成象容積。所述立柱在其中間具有縮小寬度的部分。所述臂與所述成象容積相鄰的端部也被向內(nèi)斜切?；颈馄降拇呕S板安裝得以與每個(gè)所述斜截面的內(nèi)表面成面對(duì)面關(guān)系，所述內(nèi)表面和所述板確定一個(gè)與所述立柱大致成45°的角，并且，所述板被極化，以抑制在最近的磁極和立柱之間的泄漏磁通量。磁體材料的復(fù)合極板在每個(gè)所述磁極表面上各安裝一個(gè)。每個(gè)所述極板包括在層間具有絕緣粘附劑的層疊的薄硅鋼板，所述層疊板分割成多個(gè)楔形元件，所述楔形元件使用在各個(gè)元件之間的絕緣粘附劑形成圓盤形狀。每個(gè)所述極板覆蓋一層高電阻率的材料，并且極環(huán)安裝在每個(gè)所述極板上。
在本發(fā)明的另一方面，所述成象容積具有至少0.47m的高度，所述磁極的直徑為1.0-1.2m，并且所述極板的厚度為45-60mm。立柱的高度為1.8-1.9m，所述斜截面的寬度為1.2-1.4m，并且所述立柱的深度為1.7-1.9m。
根據(jù)本發(fā)明的敞開C形永久磁體產(chǎn)生0.35T的中等磁場(chǎng)強(qiáng)度，這比工業(yè)上可行的其它永久磁體設(shè)計(jì)好得多。
參照以下對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，將更加完全地理解本發(fā)明。
所述磁體的主要部件是磁軛1、磁極2、拐角NdFeB磁板3、極板4和極環(huán)5。
磁軛1一般為C形?？紤]到患者的舒適性以及大夫和放射科醫(yī)師對(duì)患者的可達(dá)性，在標(biāo)準(zhǔn)的隧洞系統(tǒng)或其它敞開型系統(tǒng)中，C形是優(yōu)選的，因?yàn)樗谌娑际浅ㄩ_的。敞開C形設(shè)計(jì)還提供把MRI引入到緊急外科手術(shù)中的可能性，這在將來是具有重要意義的。磁軛1具有立柱和兩個(gè)從立柱延伸的水平臂10。磁極2懸掛在臂10的端部。極板4和極環(huán)5設(shè)置在磁極2的表面上。在相對(duì)的極環(huán)5之間的間隙確定成象容積，此間隙優(yōu)選為0.47m或更大。對(duì)于磁軛1，其高度優(yōu)選為1.83m，在最寬處的寬度優(yōu)選為1.31m，深度優(yōu)選為1.8m。磁極2的直徑優(yōu)選為1.11m?？梢灶A(yù)料，這些尺寸可以變化，從而磁極的直徑為1.0-1.2m并且極板厚度為45-60mm。立柱的高度為1.8-1.9m，并且斜截面的寬度為1.2-1.4m。立柱的深度(厚度)為1.7-1.9m。
產(chǎn)生如此的磁體尺寸、間隙大小和大的均勻磁場(chǎng)容積，從而允許磁體用作全身掃描系統(tǒng)。
從

圖1可看出，在磁軛1的臂10的內(nèi)表面上安裝兩個(gè)相對(duì)的極化的磁體元件或磁極2，磁極2為NdFeB的永久磁化材料。磁極2的相向表面設(shè)置有極板4和極環(huán)5。它們的制造材料適合于把所述間隙中心的磁場(chǎng)定形為對(duì)MRI而言非常均勻的理想分布。極板4和極環(huán)5中所用材料的特性下面進(jìn)一步描述。
如圖4所示，拐角NdFeB磁板3安裝在磁軛1的內(nèi)彎表面上，磁板3與磁軛內(nèi)彎角是面對(duì)面的關(guān)系。磁板3被極化，以便抑制從臂和磁極到磁軛的立柱建立回路。這提高成象容積中的磁場(chǎng)均勻性。
磁軛1起到兩個(gè)主要作用，即，為磁場(chǎng)提供低磁阻回路和為磁極2提供機(jī)械支撐。設(shè)計(jì)圖1-4所示磁軛的精確形狀，以便為MRI應(yīng)用獲得提高的磁性能，同時(shí)盡可能地為患者提供敞開區(qū)域。以上設(shè)計(jì)的特征為圖4中示出的在頂部和底部、前面和后面上的傾斜表面12、14、16、18、20和22；從圖1和3中最清楚看出的頸縮截面24；以及上面提及的主要尺寸。所有這些用于保持功能性和有效性，同時(shí)盡可能地減少磁體的重量。
磁軛1也由單個(gè)鑄鋼件形成。這具有以下重要意義。它降低加工和裝配單件大鋼板的成本，這在需要制造許多相同的單元時(shí)非常重要。它還確保所生產(chǎn)的所有單元都具有相同的性質(zhì)，因?yàn)樗鼈內(nèi)加上嗤哪＞咧圃?。最后，它提高磁軛的結(jié)構(gòu)完整性。由于磁極相互強(qiáng)烈地吸引并且上部磁極的重量也不是可以忽略的，因此，磁軛1的臂10必須能承受這些力并且防止磁極2聚攏，這是一個(gè)重要的安全問題。事實(shí)上，磁軛必須足夠堅(jiān)固，以使所述臂保持平行。即使它們稍微偏斜一點(diǎn)，間隙中的磁場(chǎng)均勻性也會(huì)受到損害。以圖示形狀單件鑄造磁軛保證磁軛的強(qiáng)度大得足以防止磁極聚攏并保證磁極相互平行。在C形構(gòu)造中，使用由各個(gè)鋼板栓接在一起而制成的但不使用輔助支柱等的磁軛不容易實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，輔助支柱等會(huì)妨礙設(shè)計(jì)的敞開度。在其它永久磁體設(shè)計(jì)中，沒有采用C形磁軛，而是使用圍繞磁極的4個(gè)等距隔開的柱，或者采用已用過的具有兩個(gè)支撐柱的C形。
如圖1所示，拐角釹板3位于磁軛的內(nèi)彎表面上。根據(jù)前文所解釋的，由于磁軛尺寸盡可能地減小，因此這使磁極2接近于磁軛的垂直背部。一般而言，這會(huì)使所述間隙中的磁場(chǎng)變形，因?yàn)橐恍?yīng)當(dāng)垂直通過兩個(gè)磁極之間的磁通量會(huì)更容易“短路”回到磁軛。這會(huì)有害地影響均勻性。為了補(bǔ)償該影響，使用拐角元件3并優(yōu)選以圖示45°度角安裝，這對(duì)防止磁場(chǎng)變形是最有效的。為了不用拐角磁元件而防止此種變形，磁軛臂需要明顯地延長，以便磁極2遠(yuǎn)離磁軛的垂直段。然而這會(huì)大大地增加磁軛的重量(因?yàn)樗性黾拥牟牧?并會(huì)使保持臂平行的問題復(fù)雜化。對(duì)在每個(gè)拐角中使用的永久磁性材料的體積優(yōu)化，以確保在所述間隙中的磁場(chǎng)盡可能地均勻，對(duì)于本設(shè)計(jì)，優(yōu)選8000cm3。
如前所述，圖1所示的極極4和極環(huán)5對(duì)于控制間隙中的磁場(chǎng)一致性是非常重要的。極板4必須有一定的厚度，使得磁極的永久磁性材料所產(chǎn)生的磁場(chǎng)最終基本上達(dá)到平衡，其中極板4安裝在磁極上，然而，極板4不能太厚，因?yàn)檫@會(huì)顯著降低磁場(chǎng)的強(qiáng)度。對(duì)于本設(shè)計(jì)，極板4的厚度優(yōu)選為53mm。極環(huán)5的作用是增加間隙中均勻磁場(chǎng)區(qū)域的容積，并且，極環(huán)5的高度和寬度為此而仔細(xì)地優(yōu)化。對(duì)于本設(shè)計(jì)，極環(huán)5的橫截面優(yōu)選為67mm高和83mm寬。這些元件優(yōu)選由鋼或其它具有相似磁特性的材料制成，以便適當(dāng)?shù)貙?duì)磁場(chǎng)定形同時(shí)不降低磁場(chǎng)強(qiáng)度或不達(dá)到磁性飽和，其中，磁性飽和降低磁體的效率并增加泄漏的磁通量。
極板4和極環(huán)5所用材料的另外一個(gè)重要特性是電阻率。在MRI掃描過程中，對(duì)這些部件使用純鋼或純鐵導(dǎo)致在元件中易于產(chǎn)生渦流，從而在圖象中出現(xiàn)假象。為了在該磁體中降低此種影響，用于極板和極環(huán)的材料為本身已折疊并層疊在一起的薄硅鋼板。
如圖5和圖6所示，極板層疊材料元件切割成餅形部分并再組裝，以便防止渦流通過環(huán)繞所述元件的整個(gè)圓形通路。材料的選擇和生產(chǎn)此種層疊組件對(duì)于磁體的性能都是關(guān)鍵的，因?yàn)榇判阅芎碗姎庑阅芏际侵匾牟⑶也蝗菀讓?duì)兩者同時(shí)最優(yōu)化。
極板4通過以下步驟構(gòu)造在螺旋盤中“帶狀纏繞”長的硅鋼薄帶，并且在螺旋物的連續(xù)層之間涂敷絕緣環(huán)氧樹脂，把它們固定在一起。以此方式，所述板構(gòu)造成適當(dāng)?shù)耐庑纬叽?。一旦粘附劑凝固，就?duì)所述板的頂部和底部進(jìn)行磨削和蝕刻，保證所述為適當(dāng)?shù)暮穸取Ｈ欢?，此板切割成幾個(gè)楔形部分以防止渦流圍繞所述卷循環(huán)。接著，用絕緣環(huán)氧樹脂把這些部分重新結(jié)合。這產(chǎn)生固體板，此板然后加工出用于極環(huán)和磁軛的正確安裝孔。極環(huán)也使用帶狀纏繞層疊結(jié)構(gòu)以相似的方式制造。它切割成幾個(gè)部分，粘合在一起并粘合到層疊極板的頂部上。已發(fā)現(xiàn)，制造層疊的復(fù)合極板的此種方式有效地減少渦流。
所用的材料是比其它鋼具有更高電阻率的硅鋼，硅鋼對(duì)于減少渦流是重要的。然而，與固體金屬相比，層疊結(jié)構(gòu)對(duì)磁場(chǎng)的影響是不好的。為此，疊層填充因數(shù)應(yīng)盡可能地高，這要求卷繞非常薄的金屬帶并需要良好的工藝控制。
應(yīng)該理解，只要不偏離本發(fā)明的原理，可對(duì)上述優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行一定的改變。
權(quán)利要求
1.一種磁共振成象磁系統(tǒng)，其中包括由單個(gè)鑄鋼件形成的一般為C形的磁軛；所述磁軛具有立柱、從所述立柱每一端延伸的斜截面、以及從每個(gè)所述斜截面延伸的基本水平的臂，其中，所述斜截面具有向內(nèi)彎和向外彎的表面；一對(duì)支撐在所述臂上的磁極，所述磁極基本由NdFeB制成并具有相向的和間隔布置的磁極表面，以確定在它們之間的成象容積；所述立柱在其中間具有縮小寬度的部分；所述臂與所述成象容積相鄰的端部被向內(nèi)斜切；與每個(gè)所述斜截面的內(nèi)表面以面對(duì)面關(guān)系安裝的基本扁平的磁化釹板，所述內(nèi)表面和所述板確定一個(gè)與所述立柱大致成45°的角，所述板被極化，以抑制在最近的磁極和立柱之間泄漏的磁通量；一對(duì)磁性材料的復(fù)合極板，在每個(gè)所述磁極表面上各安裝一個(gè)，每個(gè)所述極板包括在層間具有絕緣粘附劑的層疊的薄硅鋼板，所述層疊板分割成多個(gè)楔形元件，所述楔形元件通過在各個(gè)元件之間的絕緣粘附劑形成圓盤形狀；每個(gè)所述極板覆蓋一層高電阻率的材料；以及安裝在每個(gè)所述極板上的極環(huán)。
2.如權(quán)利要求1所述的磁系統(tǒng)，其中，所述成象容積具有至少0.47m的高度，所述磁極的直徑為1.0-1.2m，并且所述極板的厚度為45-60mm。
3.如權(quán)利要求2所述的磁系統(tǒng)，其中，立柱的高度為1.8-1.9m，所述斜截面的寬度為1.2-1.4m，并且所述立柱的深度為1.7-1.9m。
全文摘要
一種用于磁共振成象的敞開C形磁系統(tǒng)包括圓形NdFeB磁極；單個(gè)磁軛，磁軛在立柱和磁軛水平臂之間具有向內(nèi)和向外斜切的表面；立柱的頸縮中段；扁平的釹折板，與在立柱和磁軛水平臂之間的向內(nèi)斜切表面以面對(duì)面關(guān)系布置。
文檔編號(hào)G01R33/383GK1404580SQ01805341
公開日2003年3月19日 申請(qǐng)日期2001年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2000年1月19日
發(fā)明者伊利奇·程, 保羅·J·詹威爾斯, 艾倫·J·奧特, 彥·武 申請(qǐng)人:千年技術(shù)公司