磁共振成像扫描器的制作方法

专利名称：磁共振成像扫描器的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及磁共振成像扫描器，具体涉及其中的磁场发生器。
背景技术：
磁共振成像(MRI)系统或扫描器通常用于精密测定有机分子结构。将测量对象置于强磁场下的成像空间或成像区中，通过氢核或碳核的射频电磁幅射的吸收与再发射进行分析。这种吸收与再发射的共振频率则是此种核与所加磁场的回转磁比的函数。
MRI成像法是从有机化学家用来测定有机分子结构的核磁共振(NMR)频谱法导出的。在NMR频谱法中是把作为频率函数的发射强度变化用来推断所研究的有机分子结构的变化。这种频率变化则产生于有机分子的电子与分子结构变化导致的局部磁场变化。
在MRI成像作业中。作为频率函数的发射强度的变化被用来产生通常是病人一个被选定部分的靶的图像。频率用来对空间地址信息编码。通过脉冲式梯度线圈系统所形成的局部磁场变化，给出了离散的和稍有不同的磁场，且与视场中各体元相对应。
在NMR频谱法中所加的磁场是非常高的同时要求有超导性的磁铁。为MRI成像所加的磁场则显著地较低且通常是由超导磁体提供，而新近则是由具有甚至更低磁场强度的永磁铁提供。
将永磁铁用于MRI扫描器的磁场发生器中可显著地降低其复杂性与成本。同时，由于改进了MRI扫描器的分辨率与图像质量，业已改进了永磁基的MRI扫描器的性能。
但是，MRI成像技术中所需的较高磁场强度要求有高性能的永磁铁，例如所具磁能密度显著大于通常铁氧体磁铁的稀土永磁铁。MRI扫描器用的这种典型的高性能永磁铁是烧结的稀土钕(Nd)、铁(Fe)与硼(B)磁铁。
MRI应用中永磁铁的有效磁性质包括残余磁通密度(Br)、矫顽力(Hc)、本征矫顽力(Hci)最大能量积(BH)max。
烧结的NdFeB稀土永磁铁在各种应用中，例如在MRI磁场发生器以及在计算机的各部分包括其硬驱动马达与起动马达的应用中，为它们提供了高的性能。这种永磁铁的组成与从矿石到成品的相续过程，当前对NdFeB已进行了最优化以求得最高能量积(BH)max和最高本征矫顽力Hci。
但是，用于MRI扫描器的这种合成的高性能永磁铁在每个扫描器中要求是上千克的，而这是通常计算机所要求的几克量的若干数量级。因此，MRI扫描器中应用永磁铁的费用是颇高的，相应地便限制了它的实际可用性。
生产用于MRI扫描器的永磁铁首先需始于开采含有各种稀土元素与其他各种元素的混合物。具体的有关稀土元素如Nd必须从原矿提纯到超过约99％的基本纯净的形式。这种稀土元素然后与分别提纯的元素如铁和硼含金化成这种元素的合金。取粉末形式的这种合金于压力下在磁场中致密化。然后热烧结成永磁铁块的形式，进行磁化并组装成用于MRI扫描器的磁场发生器中的所需构型。
MRI扫描器的总成本中的显著部分包括处理稀土矿来分离开特定的稀土元素，继以铁与硼使此稀土元素合金化以生产出最终的稀土永磁铁时相应的高费用。

发明内容
因此，希望通过降低稀土永磁铁的成本以及处理稀土元素的费用来减少相关MRI扫描器的费用。
为此，本发明提供磁共振成像扫描器，它包括磁轭；安装在所述磁轭上且相互分开的一对磁场发生垫，所述的垫是包括有同过渡金属与硼两者合金化的元素CePrNd的稀土元素磁铁；相邻于这对垫的每一个分别设置的一对极片，用于调节其间成像区的磁场；相邻于所述极片设置的多个梯度式线圈，用于局部地改变所述成像区中的磁场；围绕此成像区设置的射频线圈，用于在此辐射激励能；以及与此梯度式线圈和射频线圈作可工作地结合而于此成像区中使靶磁共振成像的装置。
从含稀土元素矿中除去无关的元素而留下其中的元素Pr与Nd，然后有选择地从中分出一部分元素Nd作为副产品，余剩下包括两种元素Pr与Nd在内的矿渣，由此来制造用于MRI扫描器的永磁铁。用一种过渡金属将上述矿渣合金化与之形成合金。然后将此合金形成用于MRI扫描器的结构形式的稀土永磁铁。
附图简介

图1是通过一MRI扫描器的示意性正视剖面图，此扫描器中设有依据本发明一典型实施形式的稀土永磁铁。
图2是通过图1所示扫描器并沿拼合线2-2截取的顶视剖面图。
图3以流程图表示用于制造图1与2所示MRI扫描器的方法，此扫描器中包括依据本发明一典型实施例的永磁铁。
具体实施例方式
图1概示的是本发明一典型实施形式的MRI成像系统或扫描器10。此扫描器包括具有磁轭14的磁场发生器12、安装于磁轭14上且相互分开的一对磁场发生垫16、以及一对协同工作的极片18，这对极片分别与各个垫16相邻设置，用于由此将磁场形成于其间的中央成像空间或成像区20。
磁轭14的构型是传统形式，包括铁质的顶板与底板，上面分别设置所述这对垫16中之一。轭14同时包括有铁质的侧柱将上述顶板和底板结合到一起以提供磁路通道。
靶22，例如病人，可以位于成像区20中，对其选定的区域进行磁共振成像。磁场发生垫16是本发明的稀土永磁铁，构型成用于在此相对的垫16之间并通过成像区20产生基本均一的磁场。成像区20中磁场的均匀性是按常规方式部分地由铁极片18形成。
与相应的极片18相邻地设置有若干梯度式线圈，用以局部地改变成像区20中的磁场。这些线圈24连接到相应的梯度式电源26上。此种梯度式线圈与电源为此可以取任何的常规形式，以在成像区的三个正交轴线XYZ上实现局部的梯度磁场。梯度式线圈由其电源的电流脉冲激励。成像区20中所考虑的各个体元或体素叠加稍有不同的增量磁场，以给各个体素提供唯一和已知的磁场与相应的频率地址。
射频(RF)线圈28设于成像区20的周围，用于辐射RF激励能，以激发靶22中的氢核。RF线圈28连接着相应的RF电源30为其提供功率。RF接收机32有效地与RF线圈28连接，用以在MRI作业中于氢核释出能量时接收RF信号。
用合适的数字式可编程计算机34与电源26、30和接收机32连接，同时提供装置用来控制此MRI系统使靶22磁共振、解释由受激的靶22接收到的信号、以及据此依常规方式形成MRI扫描图像。
但是对于稀土磁场发生垫16来说，整个的MRI扫描器10在构型和用于扫描成像区20中的靶的作业中可以是常规的。磁场发生垫16则可按新的方式制造，具有相应的新组成，以在保持相似的成像性能(包括成像质量与分辨率)的同时，显著地降低MRI扫描器的制造费用。
由于各MRI扫描器的垫16中所需永磁材料通常要用到数千克的材料，通过相应地减少其中所用永磁铁的制造费用，就可显著地降低扫描器的成本。此外，所制得的低成本的磁场发生垫16就允许加大其体积，如图1与2所示，进一步改进其在典型实施形式中的构型。
MRI扫描器的成本可以在保持其相似性能的同时减少，或者可以通过提高永磁铁所加磁场的均匀性来进一步提高性能，而这会在某种程度上牺牲成本的优势。
磁场发生垫16需要有特殊的构型和特殊的组成来有效地在整个成像区20上产生均匀的磁场，以用于磁共振成像。但是，磁场发生垫的生产涉及到相当多的步骤开采含稀土的矿、对此矿石提纯、用合适的过渡金属与提纯所得金属合金化、将所形成的稀土永磁铁制成最终的垫16。
依据本发明，业已发现，所需用来最后生产出磁场发生垫16的各处理步骤的费用常为其前面各步骤的费用而倍增。如果前面步骤费钱，则后面步骤也相应地费钱。因此，通过减少处理步骤来减少费用，可以相应地减少后续步骤的费用，这样地在整个过程中减少积累费用就能显著地减省MRI扫描器的最终费用。
例如，在稀土永磁铁的常规生产过程中，它的各个元素是独立地提纯到充分纯净的形式，然后在一起精密地合金化以控制其冶金组成、微结构与最终的磁性能。当前MRI扫描器中可见到的典型高性能的稀土永磁铁，是用实质上纯净的钕与过渡金属铁合金化，并掺硼来生产NdFeB烧结的稀土永磁铁。
再有，在常规方式中也可用充分纯的元素合金化做成永磁铁来改进其磁性质。
尽管有若干种稀土元素可以分别用来形成稀土永磁铁，但钕通常能在用于MRI扫描器中提供最高的磁性能，同时也能有其他的高性能用途，例如典型地涉及到包括有这里所用小型驱动马达的计算机等。由于计算机中所用高性能永磁铁的重量为克数量级的，因而这只在计算机系统的总成本中占据很小份额。但既然MRI扫描器需用数千克的高性能永磁材料，其所相应的高成本便成为扫描器总成本中一个大的成本份额。
根据本发明，公开了一种制造MRI永磁铁的改进方法，它能显著地降低这种永磁铁的成本，因而相应地降低了MRI扫描器本身的成本，但同时能求得相似的性能。这种改进的方法获得了不同组成的稀土永磁铁，可以通过改变其构型来进一步改进扫描器中的磁场均匀性。
图3以流程图形式说明形成适用于图1的MRI扫描器10中的，依据本发明一实施形式的稀土磁场发生垫16的制造方法或制造过程。此过程从能提供合适的矿石36的采矿开始。这种矿石通常包括几种稀土元素Ce、La、Nd与Pr等的组合物以及其他次要元素。在一种典型的组成中，这种稀土矿包括包括49％Ce、33％Ca、13％Nd、4％Pr，其余为杂质元素。
处理含稀土矿的基本步骤属常规的，生产过程终结于从此种矿石中分别取出纯度超过约99.9％的高纯Nd的氧化物和高纯Pr的氧化物。提纯过程包括许多步骤和相应的高成本，涉及到从矿石中首先除去杂质元素，然后分离出高纯的Nd和Pr。
根据一最佳实施形式，首先从矿石36中除去杂质元素而于其中留下元素Ce、Pr与Nd。这是可以用常规处理步骤完成的。
例如，处理原矿从中分离出不需要的杂质元素以释离开所需的稀土元素。这种矿石例如可用焙烧、沥滤、浮选和溶剂萃取处理，以除去不需要的Fe、Pb、Th、Sm、Gd与Eu。
特别是，最好从此矿石中只是部分地除去元素Ce，使中间矿石36a中余留的稀土(Re)元素以最终组成LaCePrNdSm转化为氯化物，而由其中除去Sm、Gd、Eu的氧化物。从这样得到的混合物LaCePrNd中除去LaCe的氧化物，将此中间矿石36b留于溶液中。
尽管以上处理步骤基本上是常规的，但此最佳实施形式与其有一个显著差异是部分地除去氧化物形式的铈，以将此中间矿石36a中的稀土元素中的Ce组分量减少到大于约0.6％。在常规的方法中则是将基本上所有的铈都除去到少于稀土元素的量的0.6％，使所得到的提纯的稀土元素基本上纯净。
业已发现，将铈从稀土元素分离开特别有助于稀土元素降低提纯费用。但是将铈引入最终的永磁铁中相应地能显著减少本征矫顽力Hci。没有铈的稀土磁铁可以产生高达约15kOe的最大本征矫顽力Hci。
为了获得用于MRI扫描器中永磁铁的满意性能，从稀土元素中除去铈可能要限制到使铈在稀土元素中保持到约10％。在10％的铈含量情形，所得到的永磁铁将具有约7kOe的本征矫顽力。
但在一最佳实施形式中，则是从所述矿石中将元素Ce部分地除去，使稀土元素中的铈组分减少到约5％，以实现约9kOe或更大的本征矫顽力，来求得用于MRI的永磁铁的合适性能。
因此，从矿石中除去了各种杂质元素，主要只留下元素Ce、Pr与Nd于中间矿石36b中。已发现，在中间矿石内保持上述充分量的元素Ce可以显著减少稀土元素的提纯费用，同时又能获得合格的磁性能。
根据本发明的另一特点，不同于常规方法中那种从中间矿石中分别取出稀土元素Pr与Nd来生产其充分纯净形式的作法，只是从中间矿石中有选择地分离出一部分稀土元素Nd作为氧化物形式的副产品，而余下以混合氧化物形式的矿渣36c，其中包括元素Ce、Pr与Nd。在此最佳实施形式中，处理过的矿渣36c基本上只有元素Ce、Pr与Nd。
具有特别意义的是，稀土元素Pr不是单独地从中间矿石分离出来而是留于矿渣36c中。于是这种矿渣包括稀土元素Pr与Nd两者，且有选择地仅仅分离一部分元素Nd来形成基本上纯净的Nd副产品38。因此，矿渣36c包括元素Nd的一个百分率F，而副产物38则包括相应的余量率，即元素Nd的一个百分率1-F。
可以由种种传统方法来实现选择性分离。例如，含CePrNd的中间矿石36b可以于有机溶液中处理，通过溶剂萃取集中地分离这些元素，并作为混合的草酸盐或碳酸盐沉淀出。采用附加的分离或萃取步骤来分离开Nd副产物，可以有效地分出元素Nd。
所得的CePrNd混合氧化物矿渣36c于是只提取出它的Nd组份的一部分，相应地加大了其中稀土元素Pr的相对百分率。
然后以任何通常的方式将此混合的氧化物矿渣从氧化物转化为金属，将此混合的稀土金属矿渣与过渡金属例如铁合金化，形成金属合金36d。再将此矿渣合金36d适当地形成混合的稀土永磁铁，例如用于MRI扫描器的磁场发生垫16的形式。
在此最佳实施形式中，矿渣36c与铁和硼两者合金化，形成包括CePrNdFeB的混合稀土永磁铁。此外，也可将充分纯的元素用常规方式合金化成永磁铁以改进其磁性质。
相应地，可以将充分纯的Nd副产物38用于各种其他目的，例如用于需要高性能稀土永磁铁的计算机中。这种Nd副产物从氧化物转化为金属，以任何方式与过渡金属(例如铁)以及硼形成包括NdFeB的合金。然后将此副产物合金40适当地形成单一稀土元素(Nd)永磁铁40a，用于需要高性能稀土永磁铁的副产物应用中。此外，也可按常规方式将充分纯的元素合金化为永磁铁以改进其磁性质。
不论是单一的或混合的稀土组成的稀土永磁铁都可以由任何常规的方式形成。例如，处理过的稀土氧化物转化为通常在真空炉中熔化的金属。将这样制得的金属破碎、粉化并于随性气氛如氮气中研磨，由氮喷射研磨成微米级粉末。将这些永磁铁的组份适当地混合与拌合成最终组成，然后进行磁场校正以进行模压或等静压成形。压制成的磁铁料再于适当的真空炉或惰性气体炉中进行烧结与热处理。将所得的永磁材料切割或机加工成所需尺寸与构型如块状形。再将这些块件进行磁化和组装成所需的构型如用于扫描器中的垫16。
虽然Nd副产物38可以与铁和硼合金化成高性能的NdFeB烧结永磁铁，但也可将混合的氧化物矿渣36c与铁和硼合金化，形成具有不同组成与不同磁性的烧结混合稀土CePrNdFeB永磁铁。如前所述，本征矫顽力Hci是随着永磁铁中铈含量的增加而减少的一种显著的磁性质。此外，尽管稀土元素Nd与Pr不同，但它们的组合物在混合的稀土永磁铁中并不会对本征矫顽力产生不利影响。
对包括残余磁通密度、矫顽力、本征矫顽力与最大能量积这四种显著磁性质相关效应所作的评价表明，上述铈的名义量以及稀土元素Nd与Pr的保持量，它们在一起为MRI扫描器以约36～40MGOe的显著最大能量积(BH)max为混合的稀土永磁铁提供合格的磁铁性能。
在此最佳实施例中，所述矿渣36c中元素Nd的百分率F小于副产物38中元素Nd的余量率1-F。元素Nd的百分率F在矿渣中和所得的永磁铁中最好可达约0.11(11％)。此百分率是根据成本分析的结果，其中混合的稀土氧化物处理的相对成本随元素Nd百分率F的增加成非线性增加，而等于0.11的百分率F则能显著减少混合的稀土永磁铁的成本，同时能取得具有适用于MRI磁性质的混合稀土组成。
如上所述，使处理成本显著减少是由于没有从稀土矿石中除去全部的铈所致，同时通过有选择地从此矿石中只除去元素Nd的一部分而留剩下混合的稀土矿渣，则能在导向MRI扫描器最后组变的制造过程的继后步骤中进一步降低成本。
因此，在制造这种扫描器的过程中，首先是从含包括Pr与Nd的稀土元素的矿石36形成磁场发生器12中的磁场发生垫16，这时是有选择地从其中分离元素Nd作为副产物38，而于此留剩下包括有Pr与Nd的矿渣36c。此矿渣继后以过渡金属(例如铁)与硼进行合金化，形成混合的稀土永磁铁。
这种永磁铁最好形成单元式的磁铁块，可以适当地组装成在图1所示磁轭14两相对侧上成对的磁场发生器的磁场发生垫16。再对相应的垫16相邻地组装上极片对18，以将磁场形成于其间的成像区20之中。
与各磁片的相邻地组装着梯度式线圈24，用以局部地改变成像区20中的磁场。围绕着成像区20组装着RF线圈28以于此辐射激励能。同时，梯度线圈24与RF线圈28可操作地连接着计算机34及其相应的电源上，通过常规方式使靶22于成像区20中磁共振而成像。
在此最佳实施形式中，于选择性分离处理之前从稀土矿石中部分地除去元素Ce，将所述稀土元素中的Ce组分减少到大于0.6％直至约10％，而以约5％为最佳。
如上所述，在进行选择分离之前从矿石36中除去杂质元素，主要只留下CePrNd，由此再分离出单一稀土元素副产物38和混合的稀土矿渣。
伴随着包含CePrNdFeB在内的混合稀土磁场发生垫16生产成本的显著降低，便可以经济地改变垫16的构型来改进MRI扫描器10的性能。例如，为了改进性能而不显著地提高相应的成本，与常规尺寸的NdFeB磁场发生垫相比，可以加大磁场发生垫16的尺寸与质量。
如图1与2的典型实施例所示，垫16与极片18都是环形的且相互共轴线地调准。使成像区20确定于其间的中央。传统的作法是，磁场发生垫具有基本恒定的厚度并与特殊构型的极片18相配合，以使相对的极片与垫之间的磁场有最大的均匀性。但是，施加到整个成像区20上的磁场则在不同的点上略有不同，相差约10-20/106。
为了进一步提高从磁场发生垫16所加磁场的均匀性，即使得各点的磁场变化更小而只有百万分之几，则如图，所示，垫16最好有选择性的不均匀厚度A。垫16最好使其周边较其中间部分为厚，以提高成像区20中磁场的均匀性。特别是相对的垫16之间的轴向磁场更宜沿径向提高其均匀性。
磁场发生垫16的构型可通过普通的多维计算机分析技术求得，以使成像带20中的磁场具有最大的均匀性。根据这里的新颖的制造方法，改进了加工垫16时的费用限制，这样就可在垫中有选择的位置上增加永磁材料量来进一步改善MRI成像质量。
相应地可使极片18的构型最佳化，以使由相应的垫在成像区20中所加磁场有最大的均匀性。同时可以增大设计极片18时的自由度而得以与垫16和梯度式线圈24两者协同工作。
用于形成烧结的混合稀土永磁铁的上述选择性分离工艺，能生产出用于MRI扫描器的高性能磁铁和用于只需相当少量材料的其他高性能的应用的充分纯净的Nd副产物。在所形成的永磁铁中保留稀土铈组份显著地减少了制造过程费用而并不会牺牲磁性能。有选择地分离元素Nd而留剩下混合稀土矿渣可以经济地获得混合的稀土永磁铁，而不必用价昂的工艺来将分别提纯的充分纯净的稀土元素合金化。
在此虽然描述了可视作为本发明的最佳的和典型的实施形式，但内行的人是可以从这里所述原理中认识到本发明的其他改型的，为此要求在后附权利要求书中确定的所有这类改型都是在本发明的实质精神与范围内的。
权利要求
1.磁共振成像扫描器，它包括磁轭；安装在所述磁轭上且相互分开的一对磁场发生垫，所述的垫是包括有同过渡金属与硼两者合金化的元素CePrNd的稀土元素磁铁；相邻于这对垫的每一个分别设置的一对极片，用于调节其间成像区的磁场；相邻于所述极片设置的多个梯度式线圈，用于局部地改变所述成像区中的磁场；围绕此成像区设置的射频线圈，用于在此辐射激励能；以及与此梯度式线圈和射频线圈作可工作地结合而于此成像区中使靶磁共振成像的装置。
2.权利要求1所述的扫描器，其中所述过渡金属包括铁，而所述永磁铁包括CePrNdFeB。
3.权利要求1所述扫描器，其中所述的垫与极片都是环形的且共轴线地对中安装，而所述的垫在其周边较厚以提高所述磁场在所述成像区中的均匀性。
全文摘要
磁共振成像扫描器，它包括磁轭；安装在所述磁轭上且相互分开的一对磁场发生垫，所述的垫是包括有同过渡金属与硼两者合金化的元素CePrNd的稀土元素磁铁；相邻于这对垫的每一个分别设置的一对极片，用于调节其间成像区的磁场；相邻于所述极片设置的多个梯度式线圈，用于局部地改变所述成像区中的磁场；围绕此成像区设置的射频线圈，用于在此辐射激励能；以及与此梯度式线圈和射频线圈作可工作地结合而于此成像区中使靶磁共振成像的装置。
文档编号C22B59/00GK1624464SQ20041001143
公开日2005年6月8日 申请日期2000年2月3日 优先权日1999年2月12日
发明者M·G·本兹, J·C·谢 申请人:通用电气公司