用于产生均匀磁场的方法和装置制造方法
【专利摘要】公开了一种用于匀化磁场的方法。该方法使用单一的匀场电流，以有助于抑制磁场中的不均匀性的一个以上的几何分量，而不改变匀场路径的几何结构。还公开了一种执行该方法的装置。在实施方式中，装置包括基本共同定向的匀场路径。
【专利说明】用于产生均匀磁场的方法和装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及抑制磁场中的不均匀性。
【背景技术】
[0002] 相关【背景技术】的出版物包括：
[0003] McDowell，A.与 Fukushima，E.的 "Ultracompact NMR = 1H Spectroscopy in a Subkilogram Magnet"，Applied Magnetic Resonance 35(1)，185-195, 2008。该参考文献 描述了具有纳升体积试样的紧凑永磁体中的NMR光谱学。
[0004] Bliimich，Bernhard 等人的 "Mobile NMR for Geophysical Analysis and Materials Testing"，Petroleum Science 6(1)，1-7, 2009。该参考文献不出 了使用 Halbach磁体设计的紧凑NMR光谱仪。
[0005] Chmurny，Gwendolyn N.和Hoult，David I.的"The Ancient and Honourable Art of Shimming"，Concepts in Magnetic Resonance Part A 2(3)，131-149, 2005。该参考文 献详述了在匀化时球谐函数展开的使用。
[0006] Raich，H.和 Bliimler，P.的 "Design and Construction of a Dipolar Halbach Array with a Homogeneous Field from Identical Bar Magnets:NMR Mandhalas"， Concepts in Magnetic Resonance B:Magnetic Resonance Engineering 23B (I)，16-25, 2004。该参考文献详述了在核磁共振谱仪中由立方磁体支撑的Halbach型 磁体的使用。
[0007] Moresi，Giorgio 和 Magin，Richard 的"Miniature Permanent Magnet for Table-top NMR"， Concepts in Magnetic Resonance Part B:Magnetic Resonance Engineering 19B(1)，35-43, 2003。该参考文献公开了对于使用平极片的NMR应用使场内 部Halbach阵列更加均勻的研究。它也提到了突起的设计结构。
[0008] Danieli，Ernesto 的"Mobile Sensor for High Resolution NMR Spectroscopy and Imaging"，Journal of Magnetic Resonance 198, 80-87, 2009。该参考文献公开了使 用放在初级Halbach阵列中的磁体使场更加均匀的研究。
[0009] Keimj Thomas A.的"Intentionally Non-orthogonal Correction Coils for High-homogeneity Magnets"，US Pat. No. 4, 581，580, 1986。公开了能够通过一组规定的施 加电流的变型产生多个球谐函数的一组匀场线圈。在该组线圈中的给定线圈可以对一个以 上的球谐函数起作用。
[0010] Golay，M. J. E.的 "Homogenizing Coils for 匪R Apparatus"，US Pat. No. 3, 622, 869, 1971。公开了使用均匀化线圈，以用于磁场的优化，该磁场包括附连到电绝 缘板和与磁极片平行且邻近放置的电导体。
[0011] Kabler，Donald J.、Gang，Robert E.、and Reeser，Jr. 'William 0·的"Magnetic Field Shim Coil Structure Utilizing Laminated Printed Circuit Sheets"， US Pat. No. 3, 735, 306, 1973。公开了通过在单独模块中与极片平行且邻近放置的印制电路板而构 造的场均匀化线圈。
[0012] Hughes的1987年的第4, 682, 111号美国专利公开了使用成形极片，以改进静态磁 场的均匀性。
[0013] Rose N. E.的 "Magnetic Field Correction in the Cyclotron"，Phys. Rev. 53, 715-719, 1938。描述了用于在回旋加速器中的均匀化磁场的突起极片。
[0014] 0'Donnell, Matthew 等人的 "Method for Homogenizing a Static Magnetic Field Over an Arbitrary Volume"，1987 年的美国专利第 4, 680, 551 号（7 月 24 日授权）。 公开了基于磁场映射和加权最小二乘计算的匀化电流的选择。
[0015] 在核磁共振（NMR)实验中，在偏置的静态磁场的影响下放置试样，该静磁场部分 地对准试样的核旋转磁矩。该磁矩在静态场中以称作拉莫尔（Larmor)频率的频率旋动，该 频率与磁场强度成正比。可以通过在拉莫尔频率处施加横向射频（RF)磁场来控制试样的 磁矩。通过观察试样对RF磁场的反应，可以了解试样的化学组成。作为分析方法的NMR的 功率可以主要是怎样很好地控制所施加的磁场特性的函数。
[0016] 自从NMR初期开始，就已经存在勻化（shimming)磁场的实践（使磁场更加均勻）， 并且为了改进磁场，匀场磁场的实施最初使用物理地放在源磁体后面的薄金属片以调整 这些磁体的位置。更现代的匀化技术使用电磁线圈。传统的磁共振光谱仪通常使用设置成 基本圆柱形的线圈形式的匀化线圈。在紧凑的NMR设备中使用匀场线圈已经被证明是非常 困难，主要是因为空间限制，该空间不能容纳可能具有许多层的传统匀场线圈系统。在许多 该设备中主磁体内部的可用空间太小，不能容纳一组典型的匀化线圈，该匀化线圈的个别 元件被主要设计为解决主磁场的残余不均匀性的一个且仅一个几何方面或几何分量。
[0017] 图IAUB和IC对典型的强磁场光谱仪设计的主偏磁场和试样管结构与基于圆柱 形Halbach阵列的紧凑磁体系统的设计进行比较。标为B的箭头表示主磁场方向。在附图 中没有示出匀化措施。图IA示意地示出强磁场磁体的超导磁场线圈、插入的圆柱形试样管 和由线圈产生的磁场B。试样体积（volume)内的磁场被沿线圈和管的共同对称轴定位。
[0018] 图IB和IC不出插入圆柱形Halbach磁体阵列的相同试样管，Halbach磁体阵列 产生与管的对称轴线垂直的磁场B。该特定的Halbach阵列由绕管放置的环形布置的8个 磁体组成，磁体的磁化矢量（示为箭头）与管的对称轴线垂直。对于某些应用，Halbach阵 列内部的磁场非常均匀，但是对于某些高分辨率的NMR实验，该磁场非常不均匀。
[0019] 为了基本上减小磁场的不均匀性，对于不同的磁场不均匀性的几何方面进行独立 的控制是有帮助的。在许多磁共振应用中，主磁场被沿规定的方向强烈地偏振，我们将规定 的方向作为在源自某个固定点的笛卡尔参考系中的Z轴。位于空间中一点处的磁性旋转的 拉莫尔频率通过该点处的磁场幅值来确定，该点位于通过磁场的Z分量1较好估计的合理 均匀的磁场中。可以将1展开为函数的比例和，
【权利要求】
1. 一种在包括多个匀场路径的磁共振装置内构造一组期望磁场结构的方法，所述方法 包括以下步骤： a) 提供匀场面板，所述匀场面板具有第一和第二间隔的面板端部和平的部分，所述匀 场面板适于包括所述多个匀场路径的至少一个子集，使得所述多个匀场路径的所述子集中 的各个匀场路径分别在面板端部之间延伸，其中所述多个匀场路径的所述子集中的各个匀 场路径具有共同的总体定向，并且所述多个匀场路径的所述子集被配置为在所述子集上面 施加匀场电流，所述匀场电流中的每一个都在一个面板端部处进入匀场路径，并从所述一 个面板端部沿着匀场路径流动并在另一个面板端部处离开匀场路径； b) 估计磁场作为在由所述多个匀场路径中的第一匀场路径中的已知匀场电流所产生 的一组点处计算的空间坐标变量的函数的表示； c) 计算（i)期望磁场结构与（ii)根据步骤b)估计的磁场函数的数量积； d) 对于多对期望磁场结构和由已知匀场电流所产生的估计的匀场函数，重复步骤b) 和步骤C); e) 将步骤d)中的所述数量积的值设置到矩阵中； f) 计算所述矩阵的伪逆矩阵值；以及 g) 使用所述伪逆矩阵值来确定构造所述一组期望磁场结构所需的电流。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述一组点足够大以计算数值积分并且使用以 下步骤导出： h) 对勻场路径进行Biot-Savart定律积分； i) 对匀场电流路径进行Biot-Savart定律积分并包括由设置在所述匀场路径附近的 任何高导磁率材料产生的估计的图像电流； j) 使用有限元或其他电磁模拟方法进行静磁模拟；以及 k) 施加电流，然后以高斯计探测器测量场。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，所述方法还包括沿着被设置为共面的、多个共同 定向的单一匀场路径中的各个匀场路径施加多个单一的匀场电流，并且使用所施加的多个 单一的匀场电流来抑制磁场中的不均匀性的一个以上的几何分量。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，所述方法还包括根据所述伪逆矩阵值同等地调 制沿所述多个匀场路径中的各个匀场路径施加匀场电流。
5. 用于检测暴露于主磁场的试样中的磁共振的检测器，所述检测器包括： 平的匀场面板，所述匀场面板包括多个匀场路径并具有两个端部，所述两个端部中的 每一个均具有相对应的连接件，所述多个匀场路径具有在所述两个端部之间延伸的共同方 向，所述多个匀场路径用于携带主要在一个方向上施加的匀场电流，其中，所述主磁场至少 部分地由磁阵列产生；所述检测器包括极片，所述极片安装在所述磁阵列的中央腔中，所述 极片的面彼此平行并垂直于静电场；以及所述匀场面板安装在于所述极片平行且相邻的通 道中。
6. 根据权利要求5所述的检测器，其中所述磁阵列适于接纳试样，所述试样沿试样体 积的轴线被插入到所述主磁场中，并且所述匀场路径的定向与所述试样体积的轴线平行。
7. -种匀场面板，所述匀场面板包括印刷电路板，所述匀场面板具有第一和第二隔开 的端部和平的部分，所述匀场面板包括多个匀场路径，所述多个匀场路径中的每一个在所 述端部之间延伸，其中所述多个匀场路径中的各个匀场路径具有共同定向，其中，所述匀场 面板位于与极片的面平行且相邻的通道中，并且所述匀场面板的端部中的每一个均包括连 接件并且所述匀场面板的端部延伸至磁结构之外。
8. -种在包括多个匀场路径的磁共振装置内构造一组期望磁场结构的方法，所述方法 包括以下步骤： a) 提供匀场面板，所述匀场面板具有第一和第二间隔的面板端部和平的部分，所述匀 场面板包括所述多个匀场路径的子集，使得所述多个匀场路径的所述子集中的各个匀场路 径分别在面板端部之间延伸，其中所述多个匀场路径的所述子集中的各个匀场路径具有共 同的总体定向，并且所述匀场路径能够携带主要在一个方向上施加的匀场电流； b) 估计或映射在试样体积内的多个点处由所述多个匀场路径的所述子集中的单位电 流产生的勻场磁场； c) 计算代表被估计的磁场结构的几何分量的函数的数量积以获得几何分量值； d) 对于多个磁场结构，重复步骤b)和步骤c); e) 从步骤d)中的所述数量积的值构造矩阵； f) 计算所述矩阵的伪逆矩阵值；以及 g) 使用所述伪逆矩阵值来确定为了产生最紧密匹配期望匀场结构的而施加到所述匀 场路径以电流。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个点足够大以计算数值积分并且使用以 下步骤导出： h) 对勻场路径进行Biot-Savart定律积分； i) 对匀场电流路径进行Biot-Savart定律积分并包括由设置在所述匀场路径附近的 任何高导磁率材料产生的估计的图像电流； j) 使用有限元或其他电磁模拟方法进行静磁模拟；以及 k) 施加电流，然后以高斯计探测器测量场。
【文档编号】G01R33/3875GK104459584SQ201410443969
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2010年12月1日 优先权日:2009年12月2日
【发明者】加瑞特·M·莱丝郭维兹, 格雷戈里·麦克费特斯, 塞巴斯迪安·普奈克尔 申请人:纳纳利塞斯公司