匀场环及具有该匀场环的磁共振磁体论文和设计-王振

全文摘要

本实用新型提供了一种匀场环及具有该匀场环的磁共振磁体。该匀场环在在沿患者进出方向具有对称的两个贯通缺口。本实用新型通过改变匀场环结构，扩大了有效患者空间，降低了磁体重量，同时也保证了磁场的均匀性。本实用新型的匀场环可以用于多种磁体，可大大拓展磁共振的应用领域。

主设计要求

1.一种磁共振匀场环，其特征在于：所述匀场环在沿患者进出方向具有对称的两个贯通缺口，所述缺口的高度小于等于匀场环高度，所述缺口的厚度等于匀场环的厚度，所述匀场环还设有弧状的补偿匀场条，其贴合于所述缺口及缺口的两侧的匀场环内壁。

设计方案

2.根据权利要求1所述的磁共振匀场环，其特征在于：所述缺口的截面呈台阶状。

3.根据权利要求2所述的磁共振匀场环，其特征在于：所述缺口为一级台阶。

4.根据权利要求1所述的磁共振匀场环，其特征在于：所述补偿匀场条所在弧的角度≤90°。

5.一种磁共振磁体，包括如权利要求1-4任一项所述的匀场环。

6.根据权利要求5所述的磁共振磁体，其特征在于，所述磁体还包括轭铁、磁性材料、极板，所述轭铁内表面设置有一对上、下对称的磁性材料，所述磁性材料相对的内表面上分别设有极板，所述匀场环分别固定在极板相对的内表面上，所述匀场环缺口对应的轭铁，磁性材料也相应空缺形成缺口。

7.根据权利要求6所述的磁共振磁体，其特征在于，所述极板相对的内表面上分别设有同心的补偿环和拉伸环，所述补偿环和拉伸环均为凸环，其中补偿环位于拉伸环内部，处于所述内表面的中间位置；拉伸环位于所述内表面边缘，靠近匀场环；且补偿环和拉伸环之间还设有凹槽。

8.根据权利要求7所述的磁共振磁体，其特征在于，所述补偿环高于拉伸环。

9.根据权利要求7所述的磁共振磁体，其特征在于，所述补偿环为防涡补偿环。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及磁共振成像技术领域，具体而言，涉及一种匀场环及具有该匀场环的磁共振磁体。

背景技术

磁共振成像(MRI)设备是上世纪最伟大的发明之一，几乎能用于人体各个部位的扫描，对人体没有电离辐射损伤，软组织结构显示清晰，可用于全身各部位疾病诊断。磁体是MRI设备中的一个核心部件，用于产生磁共振成像所必需的主磁场。目前在临床磁共振成像设备中使用的磁体有三种：永磁磁体、常导磁体、超导磁体。

其中常导磁体其磁场是由电磁线圈产生，断电后磁场消失，需要保持电磁线圈始终在通电状态才能正常工作。由于线圈电阻不为零，工作时耗电量非常大，且产生很多热量需要冷却装置始终保持运行状态。使用稳定性差，目前应用较少。

超导磁体由超导线圈产生磁场，线圈需常期保持在低温状态，因此线圈会被包裹在低温杜瓦中，会使用冷头保持其低温状态不被破坏。超导线圈一般采用液氦进行冷却，其运行成本相对较高。

永磁磁体运营及维护成本低，制造成本也相对较低，是目前应用的主流。永磁磁体通常设计为开放式结构，如C型、双柱型、四柱型等。由于磁性材料性能的限制，永磁磁体患者空间较超导磁体小，通常在400mm左右，且重量较重。

为了快速得到清晰真实的图像对患者进行准确诊断，磁共振成像系统要求其中的磁体能够提供一个在大范围内非常均匀的空间磁场。永磁磁体在装配好之后，样品区磁场的不均匀度往往在 1000～1500ppm，或者更高。因此，通常通过主动匀场和被动匀场两种方式得到均匀的磁场。主动匀场就是在磁体的适当部位布置一组电流线圈，当通电时，线圈产生的磁场会抵消基础场中不均匀的谐波分量。该方法经常用于常导和超导磁体。对于开放式永磁型磁体，考虑到其基础场均匀度比常导差，并为了不破坏其开放性，主要采用被动匀场方法。被动匀场方法就是在永磁体磁极表面设置匀场环，匀场环一般为环状，通过匀场环附加磁场消除主磁场内的非均匀分量，从而使样品区的磁场达到均匀分布。

匀场环相对地设置在永磁体磁极的内表面上，虽然提高了磁场均匀性，但由于其具有一定的高度，相对地，又减少了磁体有限的患者空间，为实际实用带来不便。

发明内容

鉴于此，本实用新型提出了一种匀场环及具有该匀场环的磁共振磁体，旨在解决现有的问题。

本实用新型提出了一种磁共振匀场环，所述匀场环在沿患者进出方向具有对称的两个贯通缺口，所述缺口的高度小于等于匀场环高度，所述缺口的厚度等于匀场环的厚度。

进一步地，上述匀场环的缺口呈台阶状。

进一步地，上述匀场环的缺口为一级台阶。

进一步地，上述匀场环还设有弧状的补偿匀场条，其贴合于所述缺口及缺口的两侧的匀场环内壁。

进一步地，上述匀场环的补偿匀场条所在弧的角度 ≤ 90°。

本实用新型的另一方面，还提供了一种磁共振磁体，包括上述任一匀场环。

进一步地，本实用新型的磁共振磁体还包括轭铁、磁性材料、极板，所述轭铁内表面设置有一对上、下对称的磁性材料，所述磁性材料相对的内表面上分别设有极板，所述匀场环分别固定在极板相对的内表面上，所述磁性材料相对的内表面上分别设有极板，所述匀场环分别固定在极板相对的内表面上，所述匀场环缺口对应的轭铁，磁性材料也相应空缺形成缺口。

进一步地，所述极板相对的内表面上分别设有同心的补偿环和拉伸环，所述补偿环和拉伸环均为凸环，其中补偿环位于拉伸环内部，处于所述内表面的中间位置；拉伸环位于所述内表面边缘，靠近匀场环；且补偿环和拉伸环之间还设有凹槽。

进一步地，所述补偿环的高度大于拉伸环的高度。

进一步地，所述补偿环为防涡流补偿环。

本实用新型提供的匀场环，打破传统设计思维惯式，大胆地在匀场环上设置缺口，扩大了有效患者空间，降低了磁体重量，同时也保证了磁场的均匀性。本实用新型的匀场环可以用于多种磁体，可大大拓展磁共振的应用领域。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为现有磁共振成像磁体结构示意图一；

图2为现有磁共振成像磁体结构示意图二；

图3为现有磁共振成像磁体结构示意图三；

图4为本实用新型实施例提供的匀场环结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的补偿匀场条角度示意图；

图6A为本实用新型磁共振成像磁体结构示意图一；

图6B为本实用新型磁共振成像磁体结构示意图二；

图7为本实用新型实施例提供的磁体结构效果示意图；

图8为本实用新型实施例提供的磁体的极板结构示意图一；

图9为本实用新型实施例提供的磁体结构示意图三；

图10为本实用新型实施例提供的磁体的极板结构示意图二。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

参考图1-3，为目前常见的几种核磁工作成像设备的永磁磁体结构，其中图3为现有的四柱形磁体结构示意图。永磁体结构主要包括轭铁1’、磁性材料2’、极板3’、匀场环4’，轭铁1’主要作用为导通上下两部分磁性材料2’，使之形成回路，也起到支撑两个磁极的作用。磁性材料2’用于提供磁共振所用的基础磁场，一般为钕铁硼、铁氧体等合金材料。极板3’主要作用为支撑固定磁性材料，且使成像区域的磁场更均匀，形状一般为一块平板形式。匀场环4’一般为环状，主要作用为扩大均匀区范围，使磁体成像区内磁场不聚集在中心，而是形成一个磁场较为均匀的空间。

磁性材料2’、极板3’、匀场环4’上下对称布置。两个极板3’间磁场均匀度达到成像需求的空间区域称为成像区8’，一般为球形或椭球形。两个匀场环4’之间的空间为磁共振扫描患者可用空间，可称作患者空间。但距离磁场中心较远的区域在实际使用时价值不大，成像扫必须要让成像部位全包括在成像区内，因此可把包维成像区的圆柱形区或椭圆形区域称为可用患者空间7’。

依据现有的设计经验，按照图1-2所示的方式设计磁体，磁场0.3T，患者空间Φ440mm，成像区Φ420mm*Φ420mm*Φ380mm（X*Y*Z)磁体重量约为16吨。如果可用患者空间增加到Φ710mm，磁场保持不变，磁体重量将达到60吨以上，为制造和使用带来很大的不便。

参考图4，为本实用新型一匀场环结构示意图，具体地，匀场环4在沿患者进出方向具有对称的两个贯通缺口，缺口的高度小于等于匀场环高度，缺口的厚度等于匀场环的厚度。

该缺口形状没有特别要求，可以是弧形、长方形、正方形等，为了便于加工、实现，优选为台阶状，台阶可做成一级或多级，级数越多匀场环减少量越少，对磁场影响也越小，反之对磁场影响越大，但是级越多，与之配合的零件加工复杂程度越大，因此需要根据实际情况来确定台阶级数。

同时由于带缺口匀场环4的使用，可能会影响磁场的均匀性，会造成磁体成像区在Y方向尺寸缩小，且X方向与Y方向的磁场成像区范围不一致。因此，进一步地，在匀场环4的内侧还设有弧状的补偿匀场条4-2，其贴合于缺口及缺口的两侧的匀场环4内壁。补偿匀场条4-2的角度一般不会超过90度，如图5所示，否则会影响补偿效果。理论上补偿匀场条足够宽就可以完成补偿由于匀场环缺口带来的不一致现象，但是由于匀场环4与极板3形成的凹坑内还需要安装磁共振成像用的梯度线圈等，因此不可能无限增大补偿匀场条4-2的宽度，因此此处需先保障梯度线圈的安装，不能完成补偿的部分使用其它设计进行补偿。

由于上、下匀场环4之间的空间为可用患者空间，本实用新型的匀场环通过在患者进出方向上设置缺口，这样增大了磁体的可用患者空间，同时也避免了磁体重量的增加。因为通常为了增大可用患者空间，多是通过整体拉开上、下匀场环，扩大上、下匀场环间距，这种做法对磁场影响较大，导致需要增加磁体重量。而本实用新型巧妙地在匀场环沿患者进出方向上设置缺口，减少了对磁场的影响，而且在缺口以外位置，相对来说，匀场环间距缩小，磁场强度更强，更利于成像，从而在保证成像的条件下，也相对降低了磁体重量。

参见图6A，6B，其为本实用新型实施例提供的磁体结构示意图，本实用新型的磁体包括轭铁1，轭铁1内表面设置有一对上、下对称的磁性材料2，磁性材料相对的内表面上分别设有极板3，匀场环4分别固定在极板3相对的内表面上。匀场环4在沿患者进出方向具有对称的两个贯通缺口，缺口的高度小于等于匀场环高度，缺口的厚度等于匀场环的厚度。

当本实用新型的带缺口的匀场环4应用与磁体上时，有两种情况。

一种情况，如图6A所示，轭铁1，磁性材料2，极板3，匀场环4均为平板结构，层层叠加，匀场环4在最下层，在其同一平面上没有其他部件阻挡，当匀场环4在沿患者进出方向上具有缺口时，相应地整个磁体在患者进出方向上是有缺口的，即可保证可用患者空间可以增大，起到相应的技术效果。

另一种情况，参考图6B，轭铁1，磁性材料2，极板3并非严格的平板结构，匀场环4同一平面的其他空间还有其他部件，如轭铁1、磁性材料2，那么当匀场环4在沿患者进出方向上具有缺口时，其缺口位置对应的轭铁1和磁性材料2也需要缺失形成缺口，这样才能保证可用患者空间的增大。

综上，为了真正实现可用患者空间的增大，不仅匀场环4需要在沿患者进出方向上具有对称的两个贯通缺口，可能还需要轭铁1和磁性材料2在所述缺口对应位置也缺失，相应的也具有缺口，即保证最终得到磁体的缺口效果图如图7所示，才能实现目的。

进一步地，为了保证磁体成像范围，满足成像区内磁场误差在60PPM左右的要求，可以对极板3形状进行改进。通常情况下，通过扩大磁体材料2直径的办法改善成像质量，但势必造成磁体重量大幅增加。极板位于可用患者空间的两侧，与成像区距离最近，对成像区的影响非常大，通常设计为平板式结构。经过分析发现改变极板3的形状对成像区影响非常大，因此可以利用这一特点扩大磁体成像区范围，使之达到成像需求，从而相对减小磁体的重量。

因此，进一步地，参考图8，极板3相对的内表面上分别设有同心的补偿环5和拉伸环6，补偿环5和拉伸环6均为凸环，高于极板内表面，其中补偿环5位于拉伸环6内部，处于内表面的中间位置；拉伸环6位于内表面边缘，靠近匀场环4；且补偿环5和拉伸环6之间还设有凹槽。

补偿环5作用是把磁体中心的磁场拉出来，降低磁体中心的磁场同时增大成像区内靠近补偿环区域的磁场，可扩大磁体成像区范围。拉伸环6用于补偿由于补偿环5的拉伸作用造成的成像区中心部分磁场低的问题。拉伸环6和补偿环5之间的凹槽的设计用于消除两个环间由于叠加效应带来的磁场高点。这三部分共同作用就可以即扩大成像区范围又可以保持原有磁场均匀度不被破块，进一步解决匀场环缺失可能导致的磁场均匀度降低问题。

补偿环5及拉伸环6的尺寸及凹槽的位置、尺寸需要根据具体磁体及需要进行优化设计确定，一般情况下补偿环5高度大于拉伸环6。拉伸环6需要进行防涡流产生的设计，采用硅钢或非晶叠片结构，防止由于拉伸环6产生附加涡流，影响磁共振系统成像质量。

补偿环5、拉伸环6及它们之间凹槽的数目可以是一个或者多个，具体根据尺寸和加工需求来确定。

在本实用新型磁体又一实施例中，其磁体结构参考图8-9，磁体包括轭铁1、磁性材料2、极板3、匀场环4，其中：磁性材料2，包括第一磁性材料2-1，第二磁性材料2-3，第三磁性材料2-4，其中第二磁性材料2-3和第三磁性材料2-4排列呈弧形形成圆周，第一磁性材料2-1平铺于圆周中间；极板3位于第一磁性材料之上，第二磁性材料2-3和第三磁性材料2-4形成的圆周中间，第四磁性材料2-2，其位于第一磁性材料2-1和极板3之间，并围绕第二磁性材料2-3和第三磁性材料2-4的所形成圆周的内侧排列一圈，磁取向与第一磁性材料2-1相同。

轭铁1包括平面轭铁1-1和圆周轭铁1-2，平面轭铁1-1位于第二磁性材料2-3和第三磁性材料2-4形成的圆周底面，圆周轭铁1-2包裹于所述圆周外侧。以便更好的将第二磁性材料2-3、第三磁性材料2-4的磁场导入到轭铁1内，起到更好的支撑作用.

匀场环4位于极板3之上，低于第二磁性材料2-3和第三磁性材料2-4形成的圆周，在沿患者进出方向具有对称的两个贯通缺口，缺口的高度小于等于匀场环高度，缺口的厚度等于匀场环的厚度，相应地，磁性材料2和轭铁1在对应的缺口位置也向下安装形成缺口，从而保证可以患者空间的增大。该磁体缺口采用一级阶梯设计，与可用患者空间不干涉处加高。

极板3相对的内表面上分别设有同心的补偿环5和拉伸环6，补偿环5和拉伸环6均为凸环，高于极板内表面，其中补偿环5位于拉伸环6内部，处于内表面的中间位置；拉伸环6位于内表面边缘，靠近匀场环4；且补偿环5和拉伸环6之间还设有凹槽。补偿环5、拉伸环6和凹槽均为一个。

在上述图8结构的磁体一具体实施例中，设计磁体强度0.3T，可用的患者空间直径710mm。采用采用四柱式结构，开放角度约80%，匀场环4缺口采用一级阶梯设计，缺口高度约为匀场环高度的4\/5，即缺口处剩余匀场环高度与匀场环本身高度的比例约为1：4，补偿环5厚度10mm，宽度为50mm，拉伸环6厚度为6mm，宽度为100mm，材料选用硅钢片叠片材质，补偿环5和拉伸环6之间的凹槽深10mm，宽度10mm，位于偏向拉伸环6约25mm位置，最终成像区域内磁场下降点离磁场中心位置距离由约200mm，扩大到约230mm，最终设计出的产品，成像区范围420mm*420mm*380mm（X*Y*Z)，磁体性能与传统磁体相当，整体重量小于17吨。

本实用新型的磁体设计对磁体类型没有要求，可根据实际应用场景不同调整为双柱，C形等其它结构形式，只需要考虑机械强度的变化，对磁场设计结果影响不大。

以上是结合永磁磁体对本实用新型的匀场环结构进行说明，但本实用新型的匀场环并不局限于永磁磁体，也可以用于常导或超导磁体。在常导或超导磁体中，是采用常导或超导线圈代替永磁材料产生磁场，利用两个线圈之间的垂直磁场成像,为使成像区磁场达到成像要求，同样也设置有匀场环、极板等。使用本实用新型的带缺口的匀场环同样也可以起到增大有效患者空间，减少线圈重量，从而降低磁体重量的效果。

在常导或超导磁体中使用本实用新型的带缺口的匀场环时，可以利有线圈的绕法设计，使线圈产生一个沿X、Y轴衰减速度不一致的磁场，可以用于补偿由于匀场环上的缺口带来的磁场不一致现象，达到扩大成像区的目的。

同时，使用永磁材料与常导或超导线圈同时提供磁场的开放式磁体，也可以利用带缺口的匀场环来扩大患者空间，并可以利用线圈的设计来补偿由于匀场环缺口带来的X、Y方向磁场不一致。

以上，结合本实用新型的优选实施例对本实用新型的匀场环及磁体进行了说明，本实用新型的技术方案，打破传统思维惯式，大胆地在匀场环上设置缺口，扩大了有效患者空间，降低了磁体重量，同时也保证了磁场均匀性，本实用新型的匀场环可以用于多种磁体，可大大拓展磁共振的应用领域。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

设计图

匀场环及具有该匀场环的磁共振磁体论文和设计

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