专利名称：一种磁共振成像磁体及构成方法
技术领域：
本发明涉及用于磁共振成像系统的永磁磁体，尤其涉及用于片状灵敏区成像的磁共振成像系统的磁体及其构成方法。
背景技术：
已有技术的磁共振成像仪(简称MRI)，其磁体环绕病人身体，医生和护士不能靠近病人，因此，不能用于介入治疗；同时，已有技术的MRI都要求磁体样品区为直径30-50cm的球形域，并允许病人身体自由进出该样品区，因此磁体庞大而笨重，不能制成普及轻便型MRI。
已有技术的MRI所固有的上述两大缺点来源于它的成像方法。根据该方法，被检查病人的受检查部位(以下有时简称为样品)，例如头颅、胸腔、腹腔等等首先必须全部置于一个高度均匀的(不均匀度一般不允许超过10-5左右)恒定磁场样品区中，样品区一般为直径30～50cm的球域。然后，再在选片方向上加上人工梯度场，使原本全体处于磁场高度均匀的样品区中的人体受检查部位，沿梯度场方向其不同组织层面分别处于场强不同的磁场控制之下。根据核磁共振原理，这时使用不同频率的射频场即可激发相对应的各不同人体组织层面，亦即使用和既定的某需要激发的目的层面所处位置处的场强相对应的受检核的拉摩尔频率的射频场，即可将该目标层面激发，这一过程称为由梯度场进行成像层面选择，简称层面选择。受激发层面称为目的层面。目的层而受激发后，再通过合适的脉冲序列进行对梯度线圈、射频源和谱仪的一系列操作，即可得出受激发层面的磁共振信息，并最后用这些信息形成磁共振图像。此后，再改变射频频率重复上述过程，将使另一被选中层面被激发，通过和上述过程相同的步骤，即可得出该层面的磁共振图像。当所有受检组织予定的目的层面的磁共振图像都得出后，检查工作便告完成。
按照上述成像方法，营造直径30～50CM的球形样品区，且其中场的空间不均匀性不得超过10-5左右，成为不可或缺的条件。为达到此目标，在现有技术条件下，样品区只能设计在磁体中心部位，而且磁体不可避免地庞大而笨重。样品区在磁体中心部位，必然形成磁体环绕病人的格局，使介入治疗成为不可能；而庞大笨重的磁体则使MRI不能制成普及轻便型。
本申请人提出一种全开放式磁共振成像方法(详见发明专利公开号CN1371000A)，该方法包括(1)用磁体在其自身外侧营造一薄片形均匀磁场样品区；(2)通过伺服控制系统使受检查组织的一个目的层面与所述样品区重合；(3)用射频线圈发射射频场激活上述目的层面；(4)通过梯度线圈在样品区内非层厚方向的两个正交方向上产生的梯度场对目的层面内的核自旋进行空间编码；(5)对所述目的层面进行磁共振成像；(6)通过伺服控制系统移动病床，选择另一目的层面并使之进入样品区；(7)重复步骤(3)-步骤(6)，获得另一目的层面的磁共振图像；(8)重复步骤(6)-(7)，直至获得希望得到的全部目的层面的磁共振图像为止。
该发明还提出一种磁体系统的构成技术，按照此技术构成的磁体，可在其自身外侧营造一薄片形均匀磁场样品区，并能在此样品区非层厚的两个正交方向上产生梯度场。所述磁体系统包括磁轭、磁垛、第一梯度线圈、第二梯度线圈，其特征在于所述磁垛包括左侧磁垛和右侧磁垛，二者左右对称地放置在铁质磁轭上，左侧磁垛和右侧磁垛面向病床的表面之间存在一夹角，在左侧磁垛和右侧磁垛之间装有一场形调整铁，第一梯度线圈和第二梯度线圈分别固定在左侧磁垛和右侧磁垛面向病床的表面上。
进一步，所用磁体中左侧磁垛和右侧磁垛面向病床的表面之间的夹角优选地为0＜θ＜π，所述磁垛由多种永磁材料分层叠放，形成楔形，楔形侧面之一贴在磁轭上，另一面面向样品区，磁性材料磁化方向采取始自楔形一表面，终至楔形另一表面的方向，不同层的永磁材料选自永磁铁氧体，或铝镍钴合金或钐钴合金，或烧结钕铁硼。
进一步，所用磁体中左侧磁垛和右侧磁垛面向病床的表面之间的夹角优选地为0，所述磁垛由单一一种永磁材料构成，左侧磁垛。右侧磁垛均为长条形。
而且，所用磁体中所述场形调整铁为长条状，其横断面可取为正方形、矩形、梯形、半圆形或圆形中之一种，场形调整铁用胶接方法或机械连接方法固定在左侧磁垛和右侧磁垛的交会处，当两磁垛之间有距离而不直接交会时，则固定在两磁垛中正中间的磁轭上。
再有，所用磁体系统中所述第一梯度线圈和第二梯度线圈分别固定在磁体的左侧磁垛和右侧磁垛面向病床的表面上，在样品区非层厚的两个正交方向上产生线性梯度场，第一梯度线圈、第二梯度线圈二者形状、匝数相同，在磁垛表面上可以重叠放置。
该发明全开放式磁共振成像仪中，所述病床由非导电、非铁磁材料制成，安置在样品区下方，病床床面与薄片形样品区平行，并低于样品区，床面后部有可升降支座，可由所述伺服控制系统使其升降。
该发明所提供的上述技术由于样品区位于磁体的一侧，所以医生和护士可以邻近病人，因此该发明的MRI可以用于介入治疗；又由于该发明只要求磁体在磁体外侧形成一个片状样品区而不必形成宽大的球形样品区，所以磁体可以作得既轻且小，能够制成普及型轻便MRI。
但是，上述全开放式磁共振成像方法及全开放式磁共振成像仪在具体实施中仍存在一些问题有待改进，特别是磁共振成像磁体的构成，如何更有效地形成片状均匀区，并使磁体轻巧、具有特别高的开放度等等，仍需要提供新的技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种磁共振成像磁体及其构成方法，可以使磁体产生的磁场中包含一个片状区域(片状均匀区)，在该区域内，磁场矢量B有同一方向，其模的空间不均匀度在10-4～10-5以下，可以满足磁共振成像的要求。由于磁体不追求在空间比较宽大的区域内(通常是直径30～50cm的球域)产生特高均匀度的磁场，所以磁体可以做得轻巧，以及具有特别高的开放度；因此，采用本发明所提供的磁体可以构成用于手术中的磁共振成像系统或比较轻便价廉的磁共振成像系统。
本发明的目的是这样实现的本发明公开了一种磁共振成像磁体，包括永磁磁墙、铁质平板和磁场调整块，可以使磁体产生的磁场中包含一个磁场十分均匀的片状区域。所述永磁磁墙为两扇同样的永磁磁墙，作八字形立在一铁质平板的表面上，两扇永磁磁墙的充磁方向相对于铁质平板表面的法线而言为反对称，用以在永磁磁墙八字形上端开口间形成基础磁场；所述磁场调整块为两相同铁质棱柱和两相同永磁棱柱，按各棱柱轴线相互平行的方式集成为一体，放置在所述磁墙形成的八字形下方，铁质平板上面。所述铁质棱柱的底面贴在所述铁质平板的表面上，所述永磁棱柱磁化方向相对铁质平板的法线而言为反对称，用以形成调整磁场去挤压所述基础磁场，使磁场内出现磁场十分均匀的片状区域。
所述两相同铁质棱柱和两相同永磁棱柱相对于所述两扇永磁磁墙的中心线分别呈对称。
所述永磁磁墙的纵向轴线与所述铁质平板的夹角为25°～55°之间。
所述永磁磁墙由数段拼成，各段的磁化方向与纵向轴线的夹角可相同，也可不同，该夹角控制在-20°～20°之间。
所述永磁磁墙沿磁墙的长度方向由首、中、尾三段串联拼成。
所述永磁磁墙首尾两段材料、形状和尺寸完全相同，但首尾两段所用永磁材料的最大磁能级比中段要高。
所述永磁磁墙中段在长度方向的长度为首段相应长度的2到6倍，也为尾段相应长度的2到6倍。
所述永磁棱柱的磁化方向与铁质平板上表面法线成-20°～20°夹角。
所述永磁棱柱其断面形状为三角形或四边形。
所述铁质棱柱其断面形状为三角形或四边形。
本发明还公开了一种磁共振成像磁体构成方法，可以使磁体产生的磁场中包含一个磁场十分均匀的片状区域，该方法包括如下步骤(1)将两扇同样的永磁磁墙作八字形立在一铁质平板的表面上，并使两扇永磁磁墙的充磁方向相对于铁质平板表面的法线而言为反对称，用以在永磁磁墙八字形上端开口间形成基础磁场；(2)将两相同铁质棱柱和两相同永磁棱柱按棱柱轴线相互平行的方式集成为一体，放置在所述磁墙形成的八字形下方，铁质平板上面，所述铁质棱柱的底面贴在所述铁质平板的表面上，所述永磁棱柱磁化方向相对铁质平板的法线而言为反对称，用以形成调整磁场去挤压所述基础磁场，使磁场内出现磁场十分均匀的片状区域。
所述永磁磁墙由数段串联拼成，各段的磁化方向与纵向轴线的夹角控制在-20°～20°之间。
所述永磁磁墙沿其长度方向由三段串联拼成，首尾两段完全相同，但所用永磁材料的最大磁能级比中段要高。
本发明还公开了一种磁共振成像系统，包括磁体系统、移动病床的伺服控制系统、主控制器、射频控制器、射频放大器、射频线圈、梯度控制器、前置放大器、接收器、图像形成部分和计算机，所述磁体系统包括磁体和梯度线圈，所述磁体包括永磁磁墙和磁场调整块，其中所述永磁磁墙为两扇同样的永磁磁墙，作八字形立在一铁质平板的表面上，两扇永磁磁墙的充磁方向相对于铁质平板表面的法线而言为反对称，用以在永磁磁墙八字形上端开口间形成基础磁场；所述磁场调整块为两相同铁质棱柱和两相同永磁棱柱，按棱柱轴线相互平行的方式集成为一体，放置在所述磁墙形成的八字形下方，铁质平板上面，所述铁质棱柱的底面贴在所述铁质平板的表面上，所述永磁棱柱磁化方向相对铁质平板的法线而言为反对称，用以形成调整磁场去挤压所述基础磁场，使整个磁体所产生的磁场中出现磁场十分均匀的片状区域。
本发明具有以下优点使用一种取消了层面选择过程，直接将受检查组织的目的层面放置到非球形而是呈片状的样品区中去直接成像的成像方法；本发明的MRI系统构成中加入了位置伺服控制系统，它用于拖动病床，逐次将受检组织的不同目的层面移动到与磁场样品区重合。
更重要的是，根据本发明制造的MRI系统，可以使磁体产生的磁场中包含一个片状区域(片状均匀区)，在该区域内，磁场矢量有同一方向，其模的空间不均匀度在10-4～10-5以下，可以满足磁共振成像的要求。由于磁体不追求在空间比较宽大的区域内(通常是直径30～50cm的球域)产生特高均匀度的磁场，所以磁体可以做得轻巧，以及具有特别高的开放度；因此，采用本发明所提供的磁体可以构成用于手术中的磁共振成像系统或比较轻便价廉的磁共振成像系统。
图1为本发明的磁体的构成图(1)；图2为本发明的磁体的另一实施例的构成图(2)；图3a、3b为本发明磁墙构成图(1)；图4为本发明磁墙构成图(2)；
图5为按图1所示方案构成的磁体的磁场形态；图6为使用本发明的磁共振成像系统；图7为本发明未采用调整组件时形成基础磁场倒八字磁墙；图8为图7中沿A-B检测线的磁密分布图；图9为采用调整组件后形成的磁体构成图；图10为图9中沿A-B检测线的磁密分布图；图11为采用调整组件后沿C-D检测线的磁密分布图。
具体实施例方式
以下结合
本发明的内容。
为了在空间营造出包含一个片状均匀区在内的磁场，本发明首先用三个部件组成的结构产生出基础磁场，然后用一组调整组件产生的调整磁场去挤压基础场，从而使磁场内出现一个片状均匀区。所说产生基础场的结构包括一个铁质矩形平板，两扇结构完全相同的由永磁材料构成的磁墙。磁墙立在铁质平板的一个表面上，各自靠近铁质平板的边缘，它们的远离铁质平板的两端，互相靠近，在铁质平板上方形成一个八字形。磁墙充磁方向大体上顺着磁墙的纵轴线，在一个磁墙中指向铁质平板，在另一个磁墙中远离铁质平板，相对于铁质平板表面法线呈反对称。八字上端开口间的磁场即为基础磁场。产生挤压磁场的调整组件由四部分组成，包括两条完全相同的横截面为三角形或四边形的铁质棱柱和两条完全相同的横截面为三角形或四边形的永磁棱柱，它们纵轴相平行，对称地安放在产生基础场的机构的八字形磁墙下方，铁质平板上面，铁质棱柱的底面贴紧在铁质平板表面的中部。两永磁棱柱的充磁方向大体上一个指向铁质棱柱，另一个则远离，相对于铁质平板表面法线呈反对称。
在图1中，11为铁质矩形平板，12和12’为永磁材料制成的磁墙，它们立在永磁平板的一个表面上，各自靠近铁质矩形平板的边缘。磁墙12和12’的远离铁质平板的上端互相靠近，在铁质矩形平板上形成一个八字，磁墙与铁质矩形平板的夹角α在25°～55°之间取值。磁墙的磁化方向大体上顺着磁墙的纵向磁轴OO，磁墙12’的磁化方向若指向铁质平板11，磁墙12的磁化方向则远离铁质平板11。八字上端开口间的磁场即为基础磁场。图1中的13和13’为铁质棱柱，各自的横断面除如图1中所示为三角形外，还可以如附图2中23和23’所示取为四边形。如图1中的永磁棱柱14和14’由永磁材料制成，其横断面形状除如附图1中所示为三角形外，还可如附图2中24和24’所示取为四边形。永磁棱柱的磁化方向在图1、图2中相对于铁质平板11的表面法线呈反对称，14的磁化方向向上，14’的磁化方向则向下，类似地若24的磁化方向向上，则24’的磁化方向向下。图5示出了图1所示结构所产生的磁场的分布图，其中55即为片状均匀区。
现结合图3和图4详述磁墙的构成。附图3a、3b示出了磁墙的横断面，图3a示出的是磁墙中的永磁材料的全部磁化方向均取为一致时的情况，这时磁化方向与轴线OO的夹角Ф在整个磁墙中取为一致，Ф在-20°～20°之间取值。尺寸W和H对磁场的场形起微调作用，由磁场的优化计算确定。图3b示出的是磁墙由好几段构成时的情况，各段材料相同，但各段长度li和各段磁化角Фi互不相同，Фi的取值范围为-20°～200，lI和ФI的具体数值通过磁场的优化计算确定。图4示出了磁墙在图1中垂直于纸面的方向(以下称为磁墙的长度方向)的结构，可以看出磁墙沿长度方向分为三截，在图4中示为41、41’和42。41和41’在材料、形状和尺寸上完全相同，但是它们和42所使用的永磁材料不同，所用永磁材料的最大磁能级(BH)max应该比42较为高；此外，42在磁墙长度方向的尺寸lm与41和41’的相应尺寸le要有一个合适比例，即lm/le＝2～6。
本发明的目的是提供一种永磁磁体，它所产生的磁场包括一片状均匀区，样品在此均匀区中可以实现磁共振成像，因此使用本发明磁体可以构成轻巧、开放度又极高的磁共振成像系统，如图6所示，其中62为片状均匀区，61’为病人。如图6所示，本发明MRI包括磁体系统(磁体和梯度线圈)、移动病床的伺服控制系统、主控制器、射频控制器、射频放大器、射频线圈、梯度控制器、前置放大器、接收器、图像形成部分和计算机。由于除磁体外均属于现有技术，不再赘述。
为了比较调整组件的作用，可沿指定的路径考查磁密分布情况。图7为本发明未采用调整组件时形成基础磁场的八字磁墙；图8为图7中沿检测线A-B的磁密分布图；图9为采用调整组件后形成的磁体构成图；图10为图9中沿检测线A-B的磁密分布图；相比于图8，可以看出，在图10中，有十分宽的一段，其磁密分布很均匀。
为了检验本发明所形成的片状磁场区，即A-B检测线是否处于与相邻区域场值不同的一个片状区域，特设置C-D检测线，图11为采用调整组件后沿检测线C-D的磁密分布图。将C-D检测线沿A-B检测线的正交方向上下移动，磁场剧烈变化。将C-D检测线沿A-B检测线方向左右移动，磁场仍然剧烈变化。这说明A-B检测线确实处于一片状区域之中。
权利要求
1.一种磁共振成像磁体，包括永磁磁墙、铁质平板和磁场调整块，可以使磁体产生的磁场中包含一个磁场均匀的片状区域，其特征在于，所述永磁磁墙为两扇同样的永磁磁墙，作八字形立在一铁质平板的表面上，所述两扇永磁磁墙的充磁方向相对于铁质平板表面的法线而言为反对称，用以在永磁磁墙八字形上端开口间形成基础磁场；所述磁场调整块为两相同铁质棱柱和两相同永磁棱柱，按各棱柱轴线相互平行的方式集成为一体，放置在所述磁墙形成的八字形下方，铁质平板上面，所述铁质棱柱的底面贴在所述铁质平板的表面上，所述永磁棱柱磁化方向相对铁质平板的法线而言为反对称，用以形成调整磁场去挤压所述基础磁场，使磁场内出现磁场均匀的片状磁场区域。
2.如权利要求1所述的磁共振成像磁体，其特征在于，所述两相同铁质棱柱和两相同永磁棱柱相对于所述两扇永磁磁墙的中心线分别呈对称。
3.如权利要求1所述的磁共振成像磁体，其特征在于，所述永磁磁墙的纵向轴线与所述铁质平板的夹角在25°～55°之间。
4.如权利要求1所述的磁共振成像磁体，其特征在于，所述永磁磁墙由数段拼成，各段的磁化方向与纵向轴线的夹角可相同，也可不同，该夹角控制在-20°～20°之间。
5.如权利要求1所述的磁共振成像磁体，其特征在于，所述永磁磁墙沿磁墙的长度方向由首、中、尾三段串联拼成。
6.如权利要求5所述的磁共振成像磁体，其特征在于，所述永磁磁墙首尾两段材料、形状和尺寸完全相同，但首尾两段所用永磁材料的最大磁能级比中段要高。
7.如权利要求5所述的磁共振成像磁体，其特征在于，所述永磁磁墙中段在长度方向的长度为首段相应长度的2到6倍，也为尾段相应长度的2到6倍。
8.如权利要求1所述的磁共振成像磁体，其特征在于，所述永磁棱柱的磁化方向与铁质平板上表面法线呈反对称。
9.如权利要求1所述的磁共振成像磁体，其特征在于，所述永磁棱柱其断面形状为三角形或四边形。
10.如权利要求1所述的磁共振成像磁体，其特征在于，所述铁质棱柱其断面形状为三角形或四边形。
11.一种磁共振成像磁体构成方法，可以使磁体产生的磁场中包含一个磁场均匀的片状区域，其特征在于，该方法包括如下步骤(1)将两扇同样永磁磁墙作八字形立在一铁质平板的表面上，并使两扇永磁磁墙的充磁方向相对于铁质平板表面的法线而言为反对称，用以在永磁磁墙八字形上端开口间形成基础磁场；(2)将两相同铁质棱柱和两相同永磁棱柱按棱柱轴线相互平行的方式集成为一体，放置在所述磁墙形成的八字形下方，铁质平板上面，所述铁质棱柱的底面贴在所述铁质平板的表面上，所述永磁棱柱磁化方向相对铁质平板的法线而言为反对称，用以形成调整磁场去挤压所述基础磁场，使磁场内出现磁场均匀的片状区域。
12.如权利要求11所述的磁共振成像磁体构成方法，其特征在于，所述永磁磁墙由数段串联拼成，各段的磁化方向与纵向轴线的夹角控制在-20°～20°之间。
13.如权利要求11所述的磁共振成像磁体构成方法，其特征在于，所述永磁磁墙沿其长度方向由三段串联拼成，首尾两段完全相同，但所用永磁材料的最大磁能级比中段要高。
14.一种磁共振成像系统，包括磁体系统、移动病床的伺服控制系统、主控制器、射频控制器、射频放大器、射频线圈、梯度控制器、前置放大器、接收器、图像形成部分和计算机，所述磁体系统包括磁体和梯度线圈，其特征在于，所述磁体包括永磁磁墙和磁场调整块，其中所述永磁磁墙为两扇同样的永磁磁墙，作八字形立在一铁质平板的表面上，两扇永磁磁墙的充磁方向相对于铁质平板表面的法线而言为反对称，用以在永磁磁墙八字形上端开口间形成基础磁场；所述磁场调整块为两相同铁质棱柱和两相同永磁棱柱，按棱柱轴线相互平行的方式集成为一体，放置在所述磁墙形成的八字形下方，铁质平板上面，所述铁质棱柱的底面贴在所述铁质平板的表面上，所述永磁棱柱磁化方向相对铁质平板的法线而言为反对称，用以形成调整磁场去挤压所述基础磁场，使磁场内出现片状区域磁场，可以使磁体产生的磁场中包含一个片状区域。
全文摘要
本发明涉及一种磁共振成像磁体及构成方法，可以使磁体产生的磁场中包含一个片状区域，该磁体包括两扇同样的永磁磁墙作八字形立在一铁质平板的表面上，两扇永磁磁墙的充磁方向相对于铁质平板表面的法线而言为反对称，用以在永磁磁墙八字形上端开口间形成基础磁场；两相同铁质棱柱和两相同永磁棱柱按棱柱轴线相互平行的方式集成为一体，放置在所述磁墙形成的八字形下方，铁质平板上面，所述铁质棱柱的底面贴在所述铁质平板的表面上，所述永磁棱柱磁化方向相对铁质平板的法线而言为反对称，用以形成调整磁场去挤压所述基础磁场，使磁场内出现片状磁场区域，本发明可以用于磁共振成像系统，此时系统具有高开放度，适合手术中应用，并轻巧价廉。
文档编号H01F7/02GK1700371SQ200410009099
公开日2005年11月23日 申请日期2004年5月18日 优先权日2004年5月18日
发明者夏平畴 申请人:北京泰杰磁电研究所