用于磁共振成像的磁体装置及其测量装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种用于磁共振成像的磁体装置及其测量装置，所述磁体装置包括在Z轴方向上彼此面对的上轭铁和下轭铁，所述上轭铁和所述下轭铁上分别顺序设有永磁材料、极板和匀场环，匀场环被设置成环绕极板，从而在两个极板之间形成有磁场。永磁材料、极板和匀场环中的每一个被设置成具有非圆形对称形状，从而在两个极板之间形成具有对称形状的磁场均匀区，其中Z轴方向为垂直于极板的方向。本发明还同时提供了测量装置,用于测量根据所述的磁体装置的磁感应强度。使用本发明，降低了磁体装置的成本、体积及重量，并且还为磁共振的应用从分部位诊断拓展到人体全身体检提供了基础。
【专利说明】用于磁共振成像的磁体装置及其测量装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种用于磁共振成像的磁体装置和用于测量 该磁体装置的磁感应强度的测量装置。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。其中永磁磁 体运营及维护成本低，制造成本也相对较低，而且中国拥有丰富的稀土永磁磁性材料，中国 在永磁磁共振上具有资源优势，永磁磁共振是中国磁共振的一个主要发展方向。
[0004] 永磁磁体主要由轭铁、磁性材料、极板、匀场环等几个主要部分组成。永磁磁体的 一个非常关键的指标是磁场均匀度。磁共振成像的原理决定了要求成像区的磁场均匀度非 常高，通常要求成像区域内磁感应强度的不均匀性小于几十甚至几个ppm，ppm表示百万分 之一。现有的永磁磁体有双柱型磁体、C型磁体等，如图1所示。该磁体的磁性材料2、极板 3和匀场环4都为圆对称形状，相应地在两个极板3之间形成一个圆对称形状的磁场均匀 区，这个均匀区是两个轴相等的退化的椭球形状（X = Y，Z〈X)，这样设计的优点是简单、方 便。
[0005] 永磁磁共振成像系统在扫描时系统与人体的相对关系如图2所示，其中Υ轴方向 为磁体的扫描方向，X轴方向平行于极板且垂直于Υ轴方向，Ζ轴方向为垂直于极板的方向。 但由于人体结构特点（类似于长圆柱形），特别是在使用体线圈进行体部和椎体成像时，对 Υ轴方向成像范围的需求要比X轴方向和Ζ轴方向大一些，因此，现有磁体装置中磁性材料、 匀场环直径都设计成为满足Υ轴方向的需求，这样在X轴方向就有一部分空间是浪费的，从 而浪费了磁体材料，并进而增加了成本。
[0006] 对于成像设备来说，磁场性均匀度要求高，因此大部分医疗设备都是采用圆形磁 体装置。如果形状改变，则难以获得高均匀度的磁场。
【发明内容】
[0007] 为了克服现有的缺陷，本发明提出一种用于磁共振成像的磁体装置和用于测量该 磁体装置的磁感应强度的测量装置。
[0008] 根据本发明的一个方面，提出了一种用于磁共振成像的磁体装置，包括在Ζ轴方 向上彼此面对的上轭铁和下轭铁，所述上轭铁和所述下轭铁上分别顺序设有永磁材料、极 板和匀场环，匀场环被设置成环绕极板，从而在两个极板之间形成有磁场，其中：永磁材料、 极板和匀场环中的每一个被设置成具有非圆对称形状，从而在两个极板之间形成具有对称 形状的磁场均匀区；以及Ζ轴方向为垂直于极板的方向。
[0009] 根据本发明的另一方面，提供了一种测量装置，所述测量装置用于测量上述磁体 装置的磁感应强度，所述测量装置包括：探头固定板，所述探头固定板垂直地设置在两个极 板之间，并且可相对于极板旋转，探头固定板设有用于固定探头的多个固定孔；极板连接 件，所述极板连接件设置在极板上并具有卡槽；和旋转轴，所述旋转轴的一端连接到探头固 定板，所述旋转轴的另一端可旋转地设置在卡槽中且能够在卡槽中移动。
[0010] 本发明根据人体结构的特点，将磁体材料、极板及匀场环设计成非圆对称形状，并 且磁场均匀，既能满足了磁共振扫描时的要求，又降低了磁体装置的成本、体积及重量，同 时，还为磁共振的应用从分部位诊断拓展到人体全身体检提供了基础。
【专利附图】
【附图说明】
[0011] 本发明的上述及其他方面和特征将从以下结合附图对实施例的说明清楚呈现，其 中：
[0012] 图1是传统永磁磁体装置示意图；
[0013] 图2是永磁MRI成像示意图；
[0014] 图3是根据本发明实施例的磁体装置的侧视图；
[0015] 图4是根据本发明实施例的磁体装置的立体示意图；
[0016] 图5为磁体装置的磁场均匀区的示意图；
[0017] 图6(a)_(c)是本发明的磁体装置均匀磁场区的正视图、左视图和俯视图；
[0018] 图7是磁性材料排列俯视图，中间磁性材料取向沿Z轴，周围带阴影部分为周边磁 性材料且取向与Z轴成20°夹角；
[0019] 图8是中间磁性材料和周边磁性材料的软件分析结果示意图；
[0020] 图9是根据本发明的用于测量磁体装置的磁感应强度的测量装置的立体示意图； 以及
[0021] 图10是显示本发明的测量装置的极板连接件和旋转轴的立体示意图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图和具体实施例对本发明的磁体装置和测量该磁体装置的磁感应强 度的测量装置进行详细描述。
[0023] 图3为根据本发明实施例的磁体装置的侧视图。根据本发明的磁体装置用于磁共 振成像，该磁体装置包括在Z轴方向上彼此面对的上轭铁5和下轭铁，所述上轭铁和所述下 轭铁上分别顺序设有永磁材料6、极板7和匀场环8,所述匀场环8被设置成环绕极板7,从 而在两个极板之间形成有磁场。永磁材料6、极板7和勻场环8中的每一个被设置成具有非 圆形对称形状，从而在两个极板之间形成具有对称形状的磁场均匀区9。在此，所述Z轴方 向为垂直于极板的方向，参见图2。由于磁体装置具有上下对称结构，因此，在此仅在图中标 示出上部的组成部件，而下部组成部件将不再以附图标记标示。
[0024] 由于人体结构特点（类似于椭圆柱形，如图2所示），特别是在使用体线圈进行体 部和椎体成像时，对Y轴方向成像范围的需求要比X轴方向、Z轴方向大一些，现有磁体把 磁性材料、匀场环直径设计成能满足Y轴方向的需求，这样在X轴方向就有一部分空间是浪 费的，磁体成本也相应增加。
[0025] 为此，本发明的磁体装置中，非圆对称形状的尺寸被设置成Y轴方向上的尺 寸大于X轴方向上的尺寸，X轴方向上的尺寸大于两个极板在Z轴方向上的距离，如图 6(a)-6(c)所示。如前所述，参见图2, Y轴方向为磁体装置的扫描方向，X轴方向平行于极 板且垂直于Y轴方向。本发明的磁体装置通过具有该非圆对称形状既能满足磁共振扫描时 对X轴方向和Y轴方向上的不同尺寸的要求，又能减少不必要的浪费，从而降低磁体的成 本、体积和重量。这更符合人体检查需求，为磁共振的应用从分部位诊断拓展到人体全身体 检提供了基础。
[0026] 根据一个示例，例如，X轴方向上的尺寸、Y轴方向上的尺寸和两个极板在Z轴上的 距离具有1:1. 1: 〇. 8的比率。该比率仅为例示性说明，而本发明的磁体装置不限于该尺寸。
[0027] 进一步地，磁共振成像的原理决定了要求成像区的磁场均匀度非常高，通常要求 成像区域内磁感应强度的不均匀性小于几十甚至几个ppm，为了确保磁性装置在边缘也能 和中心的磁场强度相等，永磁材料6包括中间磁性材料61和周边磁性材料62 (参加图3)。 中间磁性材料61的充磁方向平行于Z轴方向，周边磁性材料62的充磁方向与Z轴方向成 角度。
[0028] 优选地，周边磁性材料62的充磁方向与Z轴方向形成20°角度。该角度仅为例示 性的，而周边磁性材料与Z轴方向所形成的角度不限于此。另外，根据一个优选实施例，中 间磁性材料61与周边磁性材料62的重量比或体积比为1:0. 65。
[0029] 为了获得根据本发明的磁体装置的磁场均匀区，在设计时，首先依据成像需求确 定磁场均匀区域的磁感应强度B0以及范围。接着，设定永磁磁体的中间磁性材料的长短 轴、充磁方向以及周边磁性材料的厚度和充磁方向。磁性材料可以根据需要选取，然后制作 成三维模型并把该三维模型输入到电磁场分析软件中，比如Ansoft Maxwell或者Ansys、 Amperes等，对成像区域外表面与XZ、YZ平面形成交线的Z向磁感应强度进行分析。成像 范围内所有点的Z方向磁感应强度必须在B0X(1±0. 5%)之内，图8所示为软件分析结果 示意图。
[0030] 磁性材料用量增加或磁性材料的牌号提高可以提高场强，调节周边磁性材料的厚 度及充磁方向可以对磁场均匀度进行调节，这两个方面也会相互影响。通过多次对比计算 可得到一个磁场强度以及磁场均匀性均符合预定条件的永磁磁体。
[0031] 下面具体举例说明，一种磁场强度为0. 3T磁体装置，如图3和图7所示，其外形 尺寸为长1664mm，宽1530mm，高1260mm，两轭铁间距为773_，勻场环间距410_，磁性材 料厚度90mm，磁性材料椭圆形长轴长为1404mm，短轴长为1276m。磁性材料牌号选取N47， Br>14. OKGs，Hej>12. 5K0e，中间磁体长轴为1074mm，短轴为946mm，磁场方向沿Z方向，外部 磁体厚度为135mm，磁场方向与Z轴成20度夹角，中间磁性材料与周边磁性材料比（重量或 体积比）为1 :〇· 65。
[0032] 该磁体装置的磁场均匀区范围为420*500*380mm (X*Y*Z)。相比普通型磁体 500*500*380mm(X*Y*Z)的均匀区范围，在X轴方向虽然变小，但完全能满足人体扫描的需 求，磁性材料节省315kg，重量减轻8. 6t，X轴方向的尺寸减小128mm，成本减少48万，如下 表所示。 ^ 普通型0. 3T磁体 窄长型0. 3Τ磁体 干1 磁场（Τ) 0. 3 ()· 3 ，场区大小（ΧχΥχ 〇3500 X Φ500 X Φ380 Φ500 χ Φ420 χ Φ380
[0033] Ζ) ^^材料用量(kgl^ 2160 ^ 1 845 - ^^重量（t) 16. 5 一 7.9 " 或1(万元） 1 90 I 42
[0034] 传统的磁体成像区是一个圆对称区域，对其进行场的均匀度测量可以利用圆对称 性来设计测量工具，而本发明的磁体成像区是一个非圆对称形状，对其进行场均匀度测量 就会复杂一些。为更有效地对磁体性能进行测量，本发明提出了一种测量装置，用来测量非 圆对称磁体装置的磁感应强度。
[0035] 如图9和图10所示，根据本发明的一个实施例，本发明的测量装置包括探头固定 板10、极板连接件11和旋转轴12。探头固定板10垂直地设置在两个极板7之间，并且可 相对于极板7旋转。探头固定板10设有用于固定探头的多个固定孔13,所述多个固定孔位 于探头固定板上的不同位置处，以便可移动探头来测试Z轴方向上的不同位置的磁感应强 度。极板连接件11设置在极板上并具有卡槽14。旋转轴12的一端连接到探头固定板10， 而旋转轴的另一端可旋转地设置在卡槽14中且可在卡槽14中移动。例如，参见图10,在卡 槽14中具有两个旋转中心h和0 2，旋转轴12可从一个旋转中心移动到另一个旋转中心。
[0036] 为了使测试位置准确，极板7设有多个定位孔15。本发明的测量装置还包括固定 板定位件16,所述固定板定位件包括连接在定位孔15中的固定板连接件和设置在固定板 定位件的侧面的弹性环（未示出）。根据一个实施例，固定板连接件可以为定位销17 (如图 9所示）。利用定位销进入极板上的定位孔起到定位作用。当转动探头固定板时推动定位 销向上移动，定位销移出定位孔。当固定板移动到下一定位孔时，由于固定板定位件侧面弹 性环的作用，定位销进入下一定位孔，起到探头固定板旋转角度精准定位的作用。然而，固 定板连接件不限于此，而可以为能够设置在定位孔中以用于固定的任何紧固件。
[0037] 尽管对本发明的典型实施例进行了说明，但是显然本领域技术人员可以理解，在 不背离本发明的精神和原理的情况下可以进行改变，其范围在权利要求书以及其等同物中 进行了限定。
【权利要求】
1. 一种用于磁共振成像的磁体装置，包括在Z轴方向上彼此面对的上轭铁和下轭铁， 所述上轭铁和所述下轭铁上分别顺序设有永磁材料、极板和匀场环，所述匀场环被设置成 环绕所述极板，从而在两个所述极板之间形成有磁场，其中： 所述永磁材料、所述极板和所述匀场环中的每一个被设置成具有非圆形对称形状，从 而在两个所述极板之间形成具有对称形状的磁场均匀区；以及 所述Z轴方向为垂直于所述极板的方向。
2. 根据权利要求1所述的磁体装置，其中： 所述非圆形对称形状的尺寸被设置成使得Y轴方向上的尺寸大于X轴方向上的尺寸， 所述X轴方向上的尺寸大于两个所述极板之间在所述Z轴方向上的距离；以及 所述Y轴方向为所述磁体装置的扫描方向，所述X轴方向平行于所述极板且垂直于所 述Y轴方向。
3. 根据权利要求2所述的磁体装置，其中，所述X轴方向上的最大尺寸、所述Y轴方向 上的最大尺寸和两个所述极板之间的所述距离具有1:1. 1:0.8的比率。
4. 根据权利要求1所述的磁体装置，其中，所述永磁材料包括中间磁性材料和周边磁 性材料，所述中间磁性材料的充磁方向平行于所述Z轴方向，所述周边磁性材料的充磁方 向与所述Z轴方向成角度。
5. 根据权利要求4所述的磁体装置，其中，所述中间磁性材料与所述周边磁性材料的 重量比或体积比为1:0. 65。
6. 根据权利要求4所述的磁体装置，其中，所述周边磁性材料的充磁方向与所述Z轴方 向形成20°角度。
7. -种测量装置，所述测量装置用于测量根据权利要求1所述的磁体装置的磁感应强 度，所述测量装置包括： 探头固定板，所述探头固定板垂直地设置在两个所述极板之间，并且能够相对于所述 极板旋转，所述探头固定板设有用于固定探头的多个固定孔； 极板连接件，所述极板连接件设置在所述极板上并具有卡槽；和 旋转轴，所述旋转轴的一端连接到所述探头固定板，所述旋转轴的另一端能够旋转地 设置在所述卡槽中且能够在所述卡槽中移动。
8. 根据权利要求7所述的测量装置，其中： 所述极板设有多个定位孔；以及 所述测量装置还包括固定板定位件，所述固定板定位件包括连接在所述定位孔中的固 定板连接件和设置在所述固定板定位件的侧面的弹性环。
9. 根据权利要求8所述的测量装置，其中，所述固定板连接件包括定位销。
【文档编号】G01R33/12GK104051122SQ201410260196
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】刘景顺, 王振, 孟洪卫, 王剑, 杨杰, 蒋宁 申请人:包头市稀宝博为医疗系统有限公司