极板及具有该极板的磁共振成像磁体的制作方法

本发明涉及磁共振成像技术领域，具体而言，涉及一种极板及具有该极板的磁共振成像磁体。

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。

其中永磁磁体运营及维护成本低，制造成本也相对较低。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，永磁磁体成像范围小，患者空间较超导磁体小，通常在400mm左右，且重量较超导磁体重。

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，线圈需长期保持在低温状态，因此线圈会被包裹在低温杜瓦中，使用冷头保持其低温状态不被破坏。超导磁体可设计较大的患者空间，通常设计为筒形，成像空间完全包围在磁体内部，成像范围小，患者空间直径700mm以下。超导线圈一般采用液氦进行冷却，其运行成本相对较高。

特定的应用场景常导磁体及超导磁体也可设计为开放式磁体，利用常导或超导线圈代替永磁磁性材料，整体结构与永磁磁体类似，包括轭铁、极板、匀场环、常导或超导线圈。这种磁体具有开放式的特点，但同样会有患者空间小、系统耗能大的不足。

特定的应用场景开放式磁体也可设计成几种形式融合形，例如用常导或超导线圈代替部分磁性材料，其结构形式与永磁磁体类似，包括轭铁、极板、匀场环、永磁材料、常导或超导线圈。该磁体具有开放式的特点，可以利用线圈补偿磁体的磁场变形，扩大成像区范围，但同样会有患者空间小的问题。

常规的增大患者空间的技术手段，通常会导致磁体极板间距增大，造成磁场水平方向衰减更快，磁共振成像要求成像区内磁场误差在60ppm左右，这就造成磁体成像区范围缩小，通常情况下，可通过扩大磁体直径的办法加以改善，但势必造成磁体重量大幅增加。

极板位于患者空间的两侧，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。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提出了一种极板及具有该极板的磁共振成像磁体，旨在解决现有的问题。

本发明提出了一种极板，所述极板朝向患者空间的内表面上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；且补偿环和拉伸环之间还设有凹槽。

进一步地，上述补偿环、拉伸环及凹槽均为一个。

进一步地，上述拉伸环高于补偿环。

进一步地，上述补偿环为防涡流补偿环。

进一步地，上述补偿环为硅钢补偿环或者非晶叠片补偿环。

本发明的另一方面，还提拱了一种磁共振成像磁体，包括上述的极板。

进一步地，所述磁体还包括轭铁、磁性材料、匀场环，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。

进一步地，上述磁性材料分别包括第一磁性材料、第二磁性材料和第三磁性材料，其中第二磁性材料和第三磁性材料排列呈弧形形成圆周，第一磁性材料平铺于所述圆周内部；所述第一磁性材料的磁取向为轴向，第二磁性材料的磁取向与所述轴向成α夹角，第三磁性材料的磁取向与所述轴向成β夹角；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，且所述缺口对应位置的轭铁，上、下磁性材料也相应空缺形成缺口。

进一步地，上述磁性材料还包括第四磁性材料，其位于第一磁性材料和极板之间，且围绕第二磁性材料和第三磁性材料的所形成圆周的内侧排列一圈，磁取向与第一磁性材料相同。

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。

本发明提供的极板，通过拉伸环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拉伸环区域的磁场，可扩大磁体成像区范围；同时通过补偿环补偿由于拉伸环的拉伸作用造成的成像区中心部分磁场低的问题。拉伸环和补偿环之间的凹槽又可以消除两个环间由于叠加效应带来的磁场高点。因此本发明的极板既可以扩大成像区范围又可以保持原有磁场均匀度不被破坏，从而可以在同等成像范围条件下，可以大大减少磁体重量。本发明的极板可以应用于各种磁共振成像磁体。

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，而并不认为是对本发明的限制。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为本发明实施例的极板结构示意图一；

图5为本发明实施例的极板结构示意图二；

图6为本发明实施例的磁体结构示意图；

图7为本发明实施例的磁体极板示意图；

图8a为本发明实施例的磁体磁取向示意图之一；

图8b为本发明实施例的磁体磁取向示意图之二。

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，本发明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发明。

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，成像扫描必须要让成像部位全包括在成像区内，因此可把包裹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。

参照图4和5，给出了本发明实施例的极板结构示意图，其中图4为极板半剖立体图，图5为极板截面图。极板3朝向患者空间的内表面上设有同心的补偿环6和拉伸环5，补偿环6和拉伸环5均为凸环，高于极板表面，其中补偿环6位于拉伸环5内部，处于极板内表面的中间位置；拉伸环5位于极板内表面边缘，靠近匀场环4；且补偿环6和拉伸环5之间还设有凹槽。

拉伸环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拉伸环区域的磁场，可扩大磁体成像区范围。补偿环6用于补偿由于拉伸环5的拉伸作用造成的成像区中心部分磁场低的问题。极板3上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，从而可以在保证成像区范围的条件下，减少磁体重量。

拉伸环5及补偿环6尺寸及极板3上凹槽的位置、尺寸需要根据具体磁体及需要进行优化设计确定，优选地，拉伸环5高度大于补偿环6。优选地补偿环6需要进行防涡流产生的设计，采用硅钢或非晶叠片结构，防止由于补偿环6产生附加涡流，影响磁共振系统成像质量。

拉伸环5、补偿环6及两者之间的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。

参照图6-8，本发明提供的一磁体实施例，其中，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；其中第一磁性材料2-1与的磁取向与轴向；第二磁性材料2-3、第三磁性材料2-4的磁取向分别与所述轴向呈夹角α、β。具体地，上下磁性材料2要形成磁感线闭环，因此上磁性材料、下磁性材料的第一磁性材料2-1的磁取向相同，如图8a，当上磁性材料、下磁性材料的第一磁性材料2-1的磁取向为轴向向上时，上磁性材料的第二磁性材料2-3和第三磁性材料2-4的磁取向均为沿轴向向上方向发散，下磁性材料的第二磁性材料2-3和第三磁性材料2-4的磁取向为沿轴向向上方向聚拢，从而上磁性材料21、下磁性材料22的磁场形成闭合回路。如图8b，当上磁性材料、下磁性材料的第一磁性材料2-1的磁取向为轴向向下时，则上磁性材料的第二磁性材料2-3和第三磁性材料2-4的磁取向均为沿所述轴向向下方向聚拢，下磁性材料的第二磁性材料2-3和第三磁性材料2-4的磁取向为沿轴向向下方向发散，从而上磁性材料、下磁性材料的磁场形成闭合回路。

由于第一磁性材料2-1平铺于圆周内部，第二磁性材料2-3、第三磁性材料2-4绕第一磁性材料2-1的外周排列呈圆形，其磁取向分别与第一磁性材料2-1的磁取向在空间任意朝向成夹角α、β，该夹角α、β增大磁性材料2的效率就会增大，在使用相同重量磁性材料的情况下获得更高的场强，从而可以减轻磁铁的重量；同时还可以减轻轭铁1的重量。但磁场沿x轴及y轴衰减速度会增大，这将造成成像区范围减小，因此α、β的角度需要通过计算进行优化设计。

进一步的，磁性材料2还包括第四磁性材料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，这样可以进一步提高磁场强度。

极板3位于第一磁性材料2-1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。极板3朝向患者空间的内表面上设有同心的补偿环6和拉伸环5，补偿环6和拉伸环5均为凸环，高于极板表面，其中补偿环6位于拉伸环5内部，处于极板内表面的中间位置；拉伸环5位于极板内表面边缘，靠近匀场环4；且补偿环6和拉伸环5之间还设有凹槽。拉伸环5、补偿环6和凹槽均为一个。

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，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4高度，缺口的厚度等于匀场环4的厚度，且相应的磁性材料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。该缺口采用一级阶梯设计，与患者空间不干涉处加高。进一步地，匀场环4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内壁，用以解决带缺口匀场环的使用可能导致的x方向与y方向的磁场成像区范围不一致问题。

在一具体的实施例中，其磁体如图6-7，设计磁体强度0.3t，可用的患者空间直径710mm。采用四柱式结构，开放角度约80%。

其中，平面轭铁1-1，圆周轭铁1-2、极板3，匀场环4，补偿匀场条4-2均由高导磁材料制成，磁导率越高的材料磁体整体重量越低，材料成本越高，本实施例采用电工纯铁材料。

磁性材料2，第一磁性材料2-1磁取向方向为轴向向上。第二磁性材料2-3磁取向方向与轴向向上呈70°夹角。第三磁性材料2-4磁取向方向与轴向向上呈60°夹角。为方便加工装安装，圆周轭铁1-2,第二磁性材料2-3，第三磁性材料2-4设计为矩形，围绕匀场拼成一个近似圆环形装，经过优化计算单侧磁极第二磁性材料2-3分为34块，第三磁性材料2-4分为8块。第一磁性材料2-1,第二磁性材料2-3，第三磁性材料2-4三种取向磁性材料重量比例约为10:7.5:1.5。同样道理第四磁性材料2-2也近似分为多个矩形块拼接而成，可增加场强约80gs。

极板3上，拉伸环5、补偿环6和凹槽均为一个，其中拉伸环5厚度10mm，宽度为50mm，补偿环6厚度为6mm，宽度为100mm，材料选用硅钢片叠片材质，拉伸环5和补偿环6之间的凹槽深10mm，宽度10mm，位于偏向补偿环6约25mm位置。

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，对应的，缺口处的磁性材料2和圆周轭铁1-2也相应缺失形成缺口。补偿匀场条4-2用于补偿由于匀场环高度不一致带来的圆周方向磁场误差，补偿匀场条4-2厚度15mm，角度为90度。

使用本发明的极板设计，该磁体的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，而且最终设计出的产品，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。

本发明的磁体设计不仅可以用于四柱结构，也可以应用于双柱，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发明的极板结构进行说明，但本发明的极板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。使用本发明的极板同样也可以起到增大成像范围，保证磁场均匀性的效果，从而可以在同等成像范围条件下，可以大大减少磁体重量。

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