專利名稱：用于磁共振成象裝置(mri)的磁場生成器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)學(xué)治療等應(yīng)用領(lǐng)域的磁共振成象裝置(此后叫MRI)中使用的磁場生成器的改進(jìn)；更詳細(xì)地說，涉及這樣一種MRI磁場生成器它旨在減小極靴中的渦流和由梯度磁場圈引起的剩磁，而又不破壞磁空間中磁場的均勻性，從而能夠進(jìn)行高速圖象拾取，其方法是按照一種疊層結(jié)構(gòu)組成一對(duì)在空間互相對(duì)立的極靴，在該結(jié)構(gòu)中有軟鐵氧體或疊層硅鋼片且軟鐵氧體置于磁性材料基體上，并有一個(gè)低磁導(dǎo)率和高電阻層插于軟鐵氧體與磁性材料基體之間，或軟鐵氧體與疊層硅鋼片之間。
MRI是一種通過把受診斷的人部分地或整個(gè)地插入一個(gè)形成強(qiáng)磁場的磁場生成器的空間中，能夠得到人體層析圖象，以充分顯現(xiàn)人體組織的性質(zhì)的裝置。
在MRI磁場生成器中，要求其空間的大小能夠部分地或整個(gè)地安置受診斷的人，且要求生成0.02至2.0T的穩(wěn)定而強(qiáng)的均勻磁場，還要求其準(zhǔn)確度為小于空間圖象拾取視野的1×10-4(一般情況下)，以便得到清晰的層析圖象。
作為一種用于MRI的磁場生成器，已知如圖6(A)與(B)所示的結(jié)構(gòu)，其中有一對(duì)使用R—Fe—B型磁鐵的永磁部件1，1被互相對(duì)立地設(shè)置，在各部件的一端固定極靴2和2(用作磁場生成源)，其另一端連接磁軛3，以便在極靴2和2之間的空間4中產(chǎn)生靜磁場(日本專利公布號(hào)平2—23010)。該圖示出一個(gè)實(shí)施例，其中磁軛3由一對(duì)平板磁軛3a和3b及4個(gè)柱狀磁軛3c形成。
對(duì)于極靴2和2，采用這樣一種結(jié)構(gòu)，沿圓周提供環(huán)形凸出體，且在中心部位還布置一凸起的突出物(未畫出)，以便改善空間4中磁場分布的均勻性(日本實(shí)用新型公布號(hào)平5—37446)。
此外，作為磁場生成源，已知上述永磁部件1和1可代之以繞在磁心(未畫出)周邊的電磁線圈(例如包括一般導(dǎo)電線圈和超導(dǎo)線圈)(日本專利公開號(hào)平4—288137)，其中采用類似于圖6所示的極靴。
亦知另一種磁場生成器，它以圖6所示結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，但其中4個(gè)柱狀磁軛3c代之以一個(gè)C—形磁軛，在此，一對(duì)平板磁軛3a和3b，只在其一端用平板磁軛3d相連(日本設(shè)計(jì)號(hào)847566)，如圖7所示。
此外，如圖8所示，亦已知一種磁場生成器，其中柱狀磁軛3c裝于一對(duì)平板磁軛3a和3b的兩端(在通過永磁部件1中心且垂直于安置受診斷人方向的假想線上或線后的某一位置)(日本專利公開號(hào)平6—78893)。
同圖6所示的結(jié)構(gòu)相比，圖7和圖8所示的結(jié)構(gòu)具有在把受診斷人置入空間4的方向上自由的優(yōu)點(diǎn)，且給人以不受壓迫的感覺。此外，在這些結(jié)構(gòu)中采用類似于圖6所示的極靴。
在圖9所示另一結(jié)構(gòu)的所提磁場生成器中，均由R—Fe—B型磁鐵制成的長方形截面永磁部件11，11和三角形截面永磁部件12，12，12，12，作為磁場生成源而裝在多邊形(圖中為六邊形)棱柱磁軛10的內(nèi)周表面上；尤其是，極靴13和13固定在一對(duì)形成主磁場的長方形截面永磁部件11和11的面向空間的面上，從而在極靴13和13之間的空間14中產(chǎn)生靜磁場(日本專利公開號(hào)平6—151160)。
為了改善空間14中磁場分布的均勻性，該對(duì)極靴13和13，在其軸向兩端設(shè)有均為長方條形的凸出物15和15，而在其中心部位設(shè)有長方板形的凸出物16。
如前所述，已知有各種各樣的用于MRI的磁場生成器結(jié)構(gòu)。在任何這類結(jié)構(gòu)中，極靴均裝在永磁構(gòu)件的面向空間的表面上，且極靴均包括一個(gè)由電磁軟鐵或純鐵之類的磁性材料切成的大塊。
在MRI中，包括相應(yīng)于X、Y和Z三個(gè)方向的三套線圈組的梯度磁場線圈(GC)，通常裝在每個(gè)置于永磁構(gòu)件的面向空間表面的極靴附近(梯度磁場線圈只在圖6用6表示)，且通過向梯度磁場線圈施加脈沖電流可在空間內(nèi)產(chǎn)生所要方向的梯度磁場。
也就是說，通過向在空間形成的均勻磁場施加梯度磁場可把位置信息給予核磁共振信號(hào)，且必須施加多個(gè)脈動(dòng)梯度磁場才能得到圖象。
例如，

圖10(A)示意性地示出由梯度磁場線圈產(chǎn)生的磁場的理想波形，它具有矩形波形，在極短的時(shí)間間隔就達(dá)到預(yù)定的磁場強(qiáng)度(升降時(shí)間)；還具有對(duì)稱的波形，其中正(+)側(cè)波高等于負(fù)(-)側(cè)波高(B1＝B2)。此外，在相鄰的矩形波形之間，磁場強(qiáng)度降至零。
然而，因?yàn)闃O靴裝在梯度磁場線圈附近，所以當(dāng)脈沖電流供給梯度磁場線圈時(shí)，磁場隨著脈沖電流的升降而急劇地變化，從而在每個(gè)包括一大塊由上述電磁軟鐵、純鐵或類似物制作的材料的極靴中產(chǎn)生渦流。此外，極靴為梯度磁場線圈的磁場所磁化，所以由于極靴中磁滯(剩磁)而破壞空間中磁場的均勻性。
產(chǎn)生渦流或剩磁，會(huì)大大擾亂梯度磁場線圈產(chǎn)生的磁場的波形。
也就是說，如圖10(B)所示，需要大量時(shí)間才能達(dá)到預(yù)定的磁場強(qiáng)度(升降時(shí)間)，且正(+)側(cè)波高不同于負(fù)(-)側(cè)波高(B1＝B2)，從而形成不對(duì)稱的波形。在圖中，虛線相當(dāng)于圖10(A)所示的理想波形。此外，因?yàn)檫@種矩形波形并非理想的波形，所以在相鄰矩形波形之間磁場強(qiáng)度不降至零。
近年來，因?yàn)樾枰愿咚偈叭「逦膱D象，就常常采用例如利用諸如FSE(快速自旋回波)方法之類的高速轉(zhuǎn)換梯度磁場的脈沖序列的結(jié)構(gòu)。然而，當(dāng)梯度磁場線圈產(chǎn)生的磁場波形，顯示圖10(b)所示的由于渦流或剩磁產(chǎn)生的非對(duì)稱波形時(shí)，因?yàn)楫a(chǎn)生信號(hào)誤差或類似誤差，就不能得到所瞄準(zhǔn)的圖象。
本申請(qǐng)人提出了一種MRI磁場生成器，它包括各種各樣的對(duì)位于梯度磁場線圈附近的極靴作了改進(jìn)的結(jié)構(gòu)，旨在解決上述問題。
例如，圖11所示的極靴20適用于MRI磁場生成器，這是一種包括具有圖6所示的構(gòu)造的所謂疊片結(jié)構(gòu)的極靴，其中，長方形截面的純鐵環(huán)22被裝在盤形純鐵磁性材料基體21的面向空間的表面周邊上，且多個(gè)方塊形軟鐵氧體材料23被裝在中心部位(日本專利公開號(hào)平4—23411)。
在圖中，純鐵心24構(gòu)成用來安裝梯度磁場線圈的基片。
本申請(qǐng)人還提出了一種極靴，其中裝有方塊形疊片硅鋼片26，它包括多個(gè)在面向空間方向上疊片且連成一體的硅鋼片，如圖12和圖13所示，用它代替圖11所示的方塊形軟鐵氧體23(日本專利公開號(hào)平4—138131)。
圖12示出使用定向硅鋼片的方塊形疊片硅鋼片26，其中多個(gè)都在一個(gè)相同方向定向的定向硅鋼片，都在厚度方向被預(yù)先疊合且連成一體，以形成子方塊26a和26b(圖中箭頭表示易磁化軸的方向)，然后再把這些子方塊這樣疊合且連成一體，使子方塊的易磁化軸方向彼此垂直。
圖13示出使用非定向硅鋼片的方塊形疊片硅鋼片26，其中硅鋼片只是在厚度方向被疊合并連成一體，而不考慮圖12結(jié)構(gòu)中所示的定向性。
本申請(qǐng)人還曾提出一種如圖14所示的極靴30，其中方塊形疊片硅鋼片和方塊形軟鐵氧體是有效地疊合和裝配的(日本專利公開號(hào)平5—182821)。
這就是說，在盤形純鐵磁性材料基體31的面向空間的表面周邊上安置長方形截面的純鐵環(huán)32，并且方塊形疊片硅鋼片36和方塊形軟鐵氧體33是這樣疊合和裝配的，以致于疊片硅鋼片36緊靠在磁性材料基體31上，以形成極靴。
圖15示出包括圖9所示結(jié)構(gòu)的MRI磁場生成器用的極靴40，其中都呈長方條形的純鐵突出物42裝在軸向兩端，且方塊形軟鐵氧體43以純鐵制成的長方板形狀裝在磁性材料基體41的面向空間的表面上的中心部位(日本專利公開號(hào)平6—151160)。
此外，在這種結(jié)構(gòu)中，方塊形疊片硅鋼片或方塊形疊片硅鋼片和方塊形軟鐵氧體也可以疊合和裝配，以代替中心部位的方塊形軟鐵氧體43。
可以使用具有有效地裝配的軟鐵氧體或硅鋼片的極靴，來減少渦流和剩磁，但還要進(jìn)一步改進(jìn)，方可用于例如采用上述FSE(快速自旋回波)方法的MRI。
這就是說，改進(jìn)圖象清晰度和縮短圖象拾取時(shí)間的要求已日益增加，據(jù)此，加給梯度磁場線圈的脈沖電流趨于增加，且脈沖電流產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度趨于進(jìn)一步增加。
雖然具有高電阻的軟鐵氧體對(duì)減小產(chǎn)生渦流是有效的，但由于磁場生成源產(chǎn)生的磁場和梯度磁場線圈產(chǎn)生的磁場的倍增效應(yīng)，容易引起磁飽和。
因此，在具有裝于面向空間的表面的軟鐵氧體的極靴中，其軟鐵氧體中磁通密度，也隨著由梯度磁場線圈引起的磁場強(qiáng)度的增加而增加而造成部分或全部磁飽和，從而一部分磁通漏失到磁性材料基體，或與軟鐵氧體磁飽和部分相接觸的疊片硅鋼片。
因此，漏失的磁通就在磁性材料基體中或疊片硅鋼片中造成渦流或剩磁。
為了減小梯度磁場線圈所產(chǎn)生磁場對(duì)磁性材料基體或疊片硅鋼片的影響，可以考慮加大軟鐵氧體的厚度。然而，這是不經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)檐涜F氧體的成本增加，并且軟鐵氧體厚度的增加必然會(huì)增加極靴的整個(gè)厚度，從而導(dǎo)致從極靴外周表面漏失的磁通增加，生成器的尺寸加大。
同軟鐵氧體相比，疊片硅鋼片具有較高的飽和磁通密度(Bs)，并且具有減少產(chǎn)生渦流的優(yōu)點(diǎn)，和容易獲得改善空間中磁場均勻性的優(yōu)點(diǎn)。然而，同軟鐵氧體相比，硅鋼具有稍大的矯頑磁力，從而難以完全防止產(chǎn)生那種造成幾個(gè)毫高斯數(shù)量級(jí)剩磁的剩磁，其剩磁雖少，但卻破壞在空間中磁場的均勻性，尤其在其面向空間的表面裝有疊片硅鋼片的極靴中更是如此。
本發(fā)明鑒于MRI磁場生成器所用極靴的上述狀況而提出，其目的在于提供一種其極靴被安排得能夠用高靈敏度來高速地拾取清晰圖象的MRI磁場生成器，方法是減小梯度磁場線圈在極靴中產(chǎn)生的渦流和剩磁，又不破壞空間中磁場的均勻性，以便按照例如MRI應(yīng)用不可缺少的高速圖象拾取所需的FSE方法，在磁路空間中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定地生成磁場，并消除梯度磁場。
本發(fā)明人為達(dá)到上述目的對(duì)MRI磁場生成器作過各式各樣的研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，能夠減小由梯度磁場線圈產(chǎn)生的渦流和剩磁，而不會(huì)損害磁場強(qiáng)度和磁場均勻性，從而能夠進(jìn)行高速圖象拾取，方法是按照其中有軟鐵磁體或疊片硅鋼片和軟鐵磁體裝在磁性材料基體上的疊片結(jié)構(gòu)，組成一對(duì)在空間互相對(duì)立的極靴，并且在軟鐵磁體和磁性材料基體之間或軟鐵磁體和疊片硅鋼片之間，插入一層低磁導(dǎo)率和高電阻的材料，從而完成本發(fā)明。
換句話說，本發(fā)明人等已按照進(jìn)行高速圖象拾取所需的諸如FSE方法或類似方法，為在MRI磁場生成器磁路空間中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生成和消除梯度磁場做了各式各樣的研究；并且注意到，在其中有軟鐵氧體裝在磁性材料基體上的疊片結(jié)構(gòu)的極靴中，部分地存在接近飽和的部位，這是用等磁通密度圖檢查磁路得出的結(jié)果。于是，根據(jù)假設(shè)，即如果按上述狀態(tài)給出梯度磁場，則穿過軟鐵氧體的脈動(dòng)磁通不能穿過磁飽和部位，而磁漏似乎繞道磁性材料基體，從而在這些部位產(chǎn)生渦流和剩磁，本發(fā)明人對(duì)能夠消除這類不利機(jī)理的方法作了各式各樣的研究，并且發(fā)現(xiàn)，通過把一層低磁導(dǎo)率和高電阻的合成樹脂或類似物質(zhì)插入磁性材料基體和軟鐵氧體之間，就甚至在梯度磁場的作用下，也幾乎不產(chǎn)生渦流和剩磁?？紤]到合成樹脂層形成一個(gè)通常在磁路習(xí)慣設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)避免的磁隙，但它能消除磁飽和部位，使脈動(dòng)磁通順利通過磁路；發(fā)明人業(yè)已發(fā)現(xiàn)，在其中有疊片硅鋼片和軟鐵氧體裝在磁性材料基體上的極靴結(jié)構(gòu)中，把合成樹脂層插入疊片硅鋼片和軟鐵氧體之間，也能得到類似的效果，從而完成本發(fā)明。
因此，本發(fā)明提供一種具有一對(duì)在空間互相對(duì)立的且在空間產(chǎn)生磁場的極靴的MRI磁場生成器，其中極靴包括一個(gè)從空間側(cè)面安置軟鐵氧體和磁性材料基體的疊合結(jié)構(gòu)，且有一層低磁導(dǎo)率和高電阻材料插在軟鐵氧體和磁性材料基體之間。
本發(fā)明還提供一種具有一對(duì)在空間互相對(duì)立的且在空間產(chǎn)生磁場的極靴的MRI磁場生成器，其中極靴包括一個(gè)從空間側(cè)面安置軟鐵磁體、疊片硅鋼片和磁性材料基體的疊合結(jié)構(gòu)，且有一層低磁導(dǎo)率和高電阻材料插在軟鐵氧體和疊片硅鋼片之間。
在本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，低磁導(dǎo)率和高電阻材料層最好是合成樹脂層。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，磁性材料基體呈盤形，并且在極靴的面向空間的表面上，裝有一個(gè)包括開有一個(gè)或多個(gè)徑向槽的磁性材料環(huán)的環(huán)形凸出物，這會(huì)進(jìn)一步改善磁場的均勻性。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，磁性材料基體呈長方板形，且在極靴面向空間的表面上的軸向兩端，裝有一些包含磁性材料的均呈長方條形的凸出物，這會(huì)進(jìn)一步改善磁場物均勻性。
根據(jù)本發(fā)明的MRI磁場生成器，不限于爾后描述的實(shí)施例，可用于任何裝有一對(duì)在空間互相對(duì)立的極靴以在空間產(chǎn)生磁場的結(jié)構(gòu)。
這就是說，用作磁場生成源的磁體部件不限于永久磁體，也可使用繞在鐵心周圍的電磁線圈(包括一般導(dǎo)電線圈和超導(dǎo)線圈)，并且極靴不一定直接裝在磁體部件上。此外，形成磁性地連接磁體部件和一對(duì)極靴的磁路以便在空間產(chǎn)生磁場的磁軛，可以有根據(jù)各種要求的特性，例如根據(jù)空間尺寸、磁場強(qiáng)度和磁場均勻性適當(dāng)選擇的任選的形狀和尺寸。
在使用永久磁體作磁場生成源磁體部件的情況下，可以使用一些已知的磁體，例如鐵氧體磁體和稀土鈷系磁體。尤其是，通過使用Fe—B—R型永久磁體，能夠顯著減小永久磁體的尺寸，其中R是主要含有Nd和Pr的資源豐富的輕稀土金屬，而B和Fe是主要的組分，這種磁體表現(xiàn)出大于30MGOe的極高的磁能積。此外，聯(lián)合地安排這樣一些已知的永久磁體，能夠提供一種很經(jīng)濟(jì)的磁場生成器，而不會(huì)明顯妨礙減小其尺寸。
在本發(fā)明中，可以使用一些已知的極靴用的材料，例如電磁軟鐵和純鐵，作組成極靴的磁性材料基體，該磁性材料基體能夠提供均勻的磁場強(qiáng)度，保證整個(gè)極靴的機(jī)械強(qiáng)度，且在組裝磁場生成器時(shí)提高工作效率。
在本發(fā)明中，各式各樣的軟鐵氧體，例如Mn—Zn鐵氧體和Ni—Zn鐵氧體，都可用作構(gòu)成極靴的軟鐵氧體；希望軟鐵氧體具有很高的電阻，以減小渦流，要優(yōu)先選用電阻率ρ大于10-5Ω·m的材料，大于10-3Ω·m是可取的，大于10-2Ω·m更可取，而大干10-1Ω·m特別可取。此外，為了引導(dǎo)對(duì)由磁體部件產(chǎn)生的磁通量進(jìn)入空間，希望磁導(dǎo)率高，且要優(yōu)先選用具有大于1000的最大磁導(dǎo)率(此后叫作磁導(dǎo)率μ)的材料，若大于5000，則更可取。
此外，為防止剩磁，希望矯頑力小，且要優(yōu)先選用例如矯頑力Hc小于20A/m的材料，若小于10A/m，則更可取。
此外，為減小由于磁體部件磁場和梯度磁場線圈磁場的疊加作用而引起的磁飽和，希望該材料具有高的飽和磁通密度Bs，且希望其飽和磁通密度Bs大于0.4T，最好是大于0.5T。
作為最好地滿足各種條件的軟鐵氧體，Mn—Zn型軟鐵氧體是很合乎需要的。
當(dāng)上述材料制作的軟鐵氧體用于極靴時(shí)，由已知壓縮模制工藝制得且加工成所需形狀的一個(gè)大塊，或都加工成預(yù)定尺寸且用環(huán)氧樹脂之類的粘接劑裝配成預(yù)定形狀的一些小塊，都能加以利用，且容易以良好工作效率裝在預(yù)定位置上。
在本發(fā)明中，疊片硅鋼片的疊合方向不只限于實(shí)施例的方向，而在極靴相反方向(面對(duì)間隙方向)的疊合可能有助于裝配方塊形疊片硅鋼片，且由機(jī)械強(qiáng)度或類似觀點(diǎn)看來也是合乎需要的。
此外，在使用定向硅鋼片的情況下，例如，JIS C2553(日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)C2553)，最好是用參考圖12所述的疊片。在使用非定向硅鋼片的情況下(例如，JIS C2552)，最好是用參考圖13所述的疊片結(jié)構(gòu)。尤其是，使用非定向硅鋼片能夠?qū)p少剩磁產(chǎn)生明顯的放果。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目標(biāo)，對(duì)硅鋼片，也需要象上述軟鐵氧體材料一樣，從各種材料中優(yōu)選材料。尤其是，希望所選材料的磁導(dǎo)率μ不小于軟鐵氧體的磁導(dǎo)率μ。希望該值盡可能大，至少大于4000，最好大于10,000。此外，還希望飽和磁通密度Bs盡可能高，且希望選擇飽和磁通密度高于1.5T的材料。此外，由減小剩磁看來，希望矯頑力Hc盡可能小，且在非定向硅鋼片情況下，希望選擇矯頑力小于50A/m的材料。由減小渦流看來，希望電阻盡可能高，且希望選擇電阻率ρ高于30×10-8Ω·m的材料，最好高于40×10-8Ω·m。
硅鋼片可以有任選的厚度。因?yàn)槭袌錾先菀踪I到的硅鋼片通常具有薄至0.35mm左右的厚度，且難以處理，所以可以把多個(gè)預(yù)先切成預(yù)定尺寸的長方形之類的形狀的硅鋼片按預(yù)定方向疊合，并合成方塊形狀，藉此可用高的工作效率把它們裝在極靴的預(yù)定部位。
通過聯(lián)合使用疊片硅鋼片和軟鐵氧體，能夠有效地達(dá)到本發(fā)明的目的。
也就是說，本發(fā)明人進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)已證實(shí)，軟鐵氧體具有減小剩磁的效果，其效果優(yōu)于疊片硅鋼片，但它有磁場波形對(duì)稱性方面的問題；還證實(shí)，疊片硅鋼片可改善磁場波形的對(duì)稱性，這方面優(yōu)于軟鐵氧體，但它有剩磁方面的問題(參閱圖10(B))。
因此，通過優(yōu)化軟鐵氧體和疊片硅鋼片的疊合數(shù)量(大小)，就能有效利用它們各自的優(yōu)點(diǎn)。尤其是，能夠得到大的經(jīng)濟(jì)效益，因?yàn)榀B片硅鋼片要比軟鐵氧體便宜。
在極靴包含軟鐵氧體和磁性材料基體的疊層的情況下，必須在軟鐵氧體與磁性材料基體之間形成一層低磁導(dǎo)率和高電阻的材料，這是本發(fā)明的一個(gè)主要特點(diǎn)；或者在極靴包含軟鐵氧體、疊片硅鋼片和磁性材料基體三者的疊層的情況下，必須在軟鐵氧體和疊片硅鋼片之間形成它。
這就是說，極靴形成一層低磁導(dǎo)率和高電阻物質(zhì)，能夠防止由永久磁體部件之類的磁場生成源的磁場引起的軟鐵氧體中磁飽和，甚至在梯度磁場線圈引起的磁場作用下也不會(huì)部分地或整個(gè)地在軟鐵氧體中導(dǎo)致磁飽和，能夠減小磁通從軟鐵氧體漏失到磁性材料基體或疊片硅鋼片，因此能夠在磁性材料基體或疊片硅鋼片中減小由梯度磁場線圈的磁場引起的渦流和剩磁的產(chǎn)生。
如上所述可知，為了通過在軟鐵氧體和磁性材料基體之間夾一層材料，或在軟鐵氧體和疊片硅鋼片之間形成了一層物質(zhì)，來防止由磁場生成源的磁場在軟鐵氧體中引起磁飽和，該層必須具有低的磁導(dǎo)率，即高的磁阻，并可以考慮采用各種非磁性材料。然而，如果該層由銅或鋁之類的低電阻(高電導(dǎo)率)材料制成，則該層自身產(chǎn)生渦流，因此必須選擇高電阻材料。
根據(jù)本發(fā)明人的經(jīng)驗(yàn)，通常希望選擇工業(yè)上可得的材料，這種材料具有1左右的磁導(dǎo)率，且就電阻而論，具有等于或大于組成極靴的軟鐵氧體的電阻率ρ(例如大于0.2Ω·m)。因此，作用由合成樹脂，例如氯乙烯、聚乙烯、環(huán)氧樹脂和酚樹脂(電木)制作的板，從處理觀點(diǎn)看來，也是合乎需要的。
此外，采用例如下述的結(jié)構(gòu)也能得到類似的效果對(duì)磁性材料基體側(cè)面上或疊片硅鋼片側(cè)面上的每個(gè)方塊形軟鐵氧體，安置一個(gè)由合成樹脂制作的小凸起物，從而在軟鐵氧體和磁性材料基體或疊片硅鋼片之間形成一個(gè)顯著的空氣層。
此外，還能使用氧化鋁或氮化硅之類的陶瓷，膠合板之類的硬木，和MDF之類的纖維板。
上面描述的低磁導(dǎo)率和高電阻層，對(duì)達(dá)到本發(fā)明的目的是極其重要的；但如果該層厚度過大，則磁阻過分增加，導(dǎo)致磁場生成源的磁通勢的損失增加，結(jié)果降低空間中磁場強(qiáng)度。這就是說，磁路的磁效率受損。
另一方面，如果該層厚度被不必要地減小，就不能得到該層預(yù)期的效果。因此，希望按照下列因素選擇該層的厚度組成極靴的每個(gè)部件的形狀、大小和材料，磁場生成源的磁特征，梯度磁場線圈的特征，空間中磁場強(qiáng)度等。舉例來說，對(duì)于迄今所用的具有約1m—1.5m外徑的一般盤形極靴，和具有約0.4m—1m寬×1m—1.5m長的長方板形極靴，希望其厚度在0.5mm至5mm范圍以內(nèi)。
在本發(fā)明中，通過優(yōu)選低磁導(dǎo)率和高電阻層的厚度，和優(yōu)選每個(gè)組成極靴的部件的厚度比率，能夠保證極靴的機(jī)械強(qiáng)度，還能夠在使磁場強(qiáng)度均勻和防止磁極片的渦流和剩磁方面收效最大。
例如，在具有軟鐵氧體、低磁導(dǎo)率和高電阻層與磁性材料基體的結(jié)構(gòu)中，希望其厚度比值(每個(gè)部件的最大厚度比值)在5—50∶0.5—5∶10—50的范圍以內(nèi)。在具有軟鐵氧體、低磁導(dǎo)率和高電阻層、疊片硅鋼片與磁性材料基體的結(jié)構(gòu)中，各部件的厚度比值希望選為3—15∶0.5—5∶2—35∶10—50的范圍以內(nèi)。
此外，在本發(fā)明中，為了改進(jìn)空間中磁場的均勻性，只對(duì)盤形磁性材料基體或長方板形磁性材料基體的面向空間的表面的中心部位，制成軟鐵氧體或疊片硅鋼片和軟鐵氧體的疊合結(jié)構(gòu)；且凸出物包括例如由電磁軟鐵或純鐵制造的磁性材料環(huán)或磁性材料條，它們是在盤形磁性材料基體的周邊或長方板形磁性材料基體的軸向兩端制成的。
希望磁性材料環(huán)或磁性材料條對(duì)磁性材料基體電絕緣，以減小渦流效應(yīng)。尤其希望通過在圓周方向安排一條或多條槽來分隔磁性材料環(huán)。
圖1(A)和1(B)是根據(jù)本發(fā)明的磁場生成器極靴實(shí)施例的俯視平面圖和垂直剖視圖；圖2是圖1(B)所示極靴的局部放大垂直剖視圖；圖3是說明根據(jù)本發(fā)明的極靴另一結(jié)構(gòu)的局部垂直剖視圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的磁場生成器中極靴的等磁通密度圖；圖5是比較實(shí)施例的磁場生成器中極靴的等磁通密度圖6(A)和(B)是現(xiàn)有磁場生成器的垂直剖視圖和水平剖視圖；圖7是現(xiàn)有磁場生成器的垂直剖視圖；圖8是現(xiàn)有磁場生成器的說明性透視圖；圖9是現(xiàn)有磁場生成器的說明性透視圖；圖10(A)、(B)和(C)是說明表示梯度磁場線圈所產(chǎn)生磁場波形的時(shí)間與磁場強(qiáng)度之間關(guān)系的圖；圖11(A)和(B)是說明現(xiàn)有磁場生成器中極靴實(shí)施例的俯視平面圖和垂直剖視圖；圖12是說明方塊形疊片硅鋼片實(shí)施例的說明性透視圖；圖13是說明方塊形疊片硅鋼片另一實(shí)施例的說明性透視圖；圖14是說明圖6所示磁場生成器所用極靴結(jié)構(gòu)的垂直剖視圖；和圖15是說明圖9所示磁場生成器所用極靴結(jié)構(gòu)的透視圖。
圖1(A)和(B)是說明根據(jù)本發(fā)明的磁場生成器中極靴最佳實(shí)施例的俯視平面圖和垂直剖視圖，圖2是圖1中一個(gè)部位的局部放大垂直剖視圖。
圖3是說明根據(jù)本發(fā)明的磁場生成器中極靴另一實(shí)施例的局部垂直剖視圖。
圖1和2所示極靴50包括一個(gè)由純鐵制造的盤形磁性材料基體51，借助一個(gè)用作低磁導(dǎo)率和高電阻層的電木薄板把多個(gè)方形軟鐵氧體塊53安置在基體51的上表面上。通常用合成環(huán)氧樹脂粘接劑把方形軟鐵氧體塊53固定在電木薄板57上。
在圖中，由純鐵制造的環(huán)形圈52和由軟鐵制造的鐵心54，組成安裝梯度磁場線圈用的基片。
在極靴50的中央部位裝有通過調(diào)整方形軟鐵氧體53厚度而形成的凸起突出物55，借助它與環(huán)形圈52的倍增效應(yīng)，能夠進(jìn)一步改善空間中磁場的均勻性。
圖3所示的極靴60，包括一個(gè)在純鐵制造的盤形磁性材料基體61的上表面上，通過安放多個(gè)用非定向硅鋼片疊成的方塊形疊片硅鋼片66(參見圖11)，并且還借助一層包括低磁導(dǎo)率和高電阻的電木薄板67，通過安放多個(gè)方形軟鐵氧體塊63而形成的結(jié)構(gòu)。
也用合成環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑按與上述結(jié)構(gòu)相同的方式，來固定方形疊片硅鋼片66與方形軟鐵氧體塊63。
在圖中，由純鐵制造的環(huán)形圈62和凸起的突出體65，是通過調(diào)整方形疊片硅鋼片66和方形軟鐵氧體63的厚度而形成的。
在使用圖15所示長方板形狀的磁性材料基體41的極靴中，通過在方塊形軟鐵氧體43與磁性材料基體41之間，或在方塊形軟鐵氧體與疊片硅鋼片(未畫出)之間，插入由低磁導(dǎo)率和高電阻的電木薄板制造的一層，也能夠得到類似于在包括使用盤形磁性材料基體的結(jié)構(gòu)的極靴中產(chǎn)生的效果。
當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的包括上述結(jié)構(gòu)的極靴用于MRI磁場生成器時(shí)，在預(yù)定部位形成的低磁導(dǎo)率和高電阻層，能夠防止由永久磁體部件之類的磁場生成源的磁場在軟鐵氧體中引起的磁飽和，甚至軟鐵氧體處于梯度磁場線圈的磁場作用下也不會(huì)部分地或整個(gè)地產(chǎn)生磁飽和，并能減小磁通從軟鐵氧體漏失到磁性材料基體或疊片硅鋼片。結(jié)果，這能減小磁性材料基體或疊片硅鋼片中由梯度磁場線圈引起的渦流和剩磁的生成，從而能夠借助用脈沖序列的高速圖象拾取所需要的FSE方法或類似方法，在磁路空間中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定生成和消除梯度磁場的目標(biāo)。
根據(jù)最佳實(shí)施例可知，由梯度磁場線圈產(chǎn)生的磁場波形幾乎不顯示圖10所示的由剩磁引起的磁場擾動(dòng)，且渦流的產(chǎn)生也大為減小，所以其磁場波形基本上與圖10(A)的理想矩形波形相同。這就是說，用高速圖象拾取能得到清晰的圖象。
例1在具有與圖6所示相同結(jié)構(gòu)的磁場生成器中，采用一種Nd—Fe—B系永久磁體，其尺寸為1300mm外徑×190mm內(nèi)徑×150mm厚，其(BH)max為40MGOe，且在該磁體上固定極靴50。極靴50具有一種如下形成的結(jié)構(gòu)把一個(gè)尺寸為1200mm外徑×1000mm內(nèi)徑×70mm厚的由低碳鋼制造的環(huán)形凸出體沿周邊安裝到一個(gè)尺寸為1200mm外徑×40mm厚的由純鐵制造的磁性材料基體51上；并且借助尺寸為1000mm外徑×1mm厚的電木薄板57，疊上一個(gè)具有凸起突出體55的由方形軟鐵氧體53裝配成象盤子一樣形狀的、尺寸為1000mm外徑×25mm厚(中央部位)的軟鐵氧體層。
該軟鐵氧體是一種Mn—Zn系鐵氧體，具有下列數(shù)據(jù)Hc＝6.0A/m，Bs＝0.54T，μ＝6000，和ρ＝0.2Ω·m。純鐵具有Hc＝80A/m，Bs＝2.0T，μ＝5000，和ρ＝1×10-7Ω·m。電木具有μ＝1，和ρ＝1×1011Ω·m。
當(dāng)一對(duì)上下環(huán)形突出體的對(duì)立表面之間的距離定為500mm時(shí)，磁場強(qiáng)度為0.3T，且在空間中心周圍200mm半徑范圍內(nèi)的實(shí)測空間內(nèi)磁場的均勻性為30ppm。通過用有限元法仿真，計(jì)算了本實(shí)施例的磁通密度，其結(jié)果如圖4等磁通密度圖所示。
此外，對(duì)由梯度磁場線圈中脈沖電流以10ms的脈沖寬度產(chǎn)生梯度磁場(8mT/m)時(shí)引起的剩余磁場和渦流作了測量，測量結(jié)果如表1所示。
比較性例1對(duì)除了不把電木薄板57插入極靴之外，其他方面都與例1結(jié)構(gòu)相同的磁場生成器，用相同方式測量了磁特性。通過在空間中心周圍200mm半徑范圍內(nèi)的測量，得到30ppm的磁場均勻性和0.3T的磁場強(qiáng)度。通過用有限元法仿真，算出本實(shí)施例的磁通密度，其結(jié)果如圖5的等磁通密度圖所示。
此外，對(duì)由梯度磁場線圈中脈沖電流以10ms的脈沖寬度產(chǎn)生梯度磁場(8mT/m)時(shí)引起的剩余磁場和渦流作了測量，測量結(jié)果如表1所示。
在圖4和圖5所示的等磁通密度圖中，等磁通密度曲線上示出的數(shù)值是磁通密度KG，表明磁通密度值在同一曲線上是相同的。根據(jù)把梯度磁場線圈(GC)與極靴對(duì)置的范圍內(nèi)的圖可知，在比較例1情況下磁通密度是接近飽和狀態(tài)的5.0至5.4KG，而在例1情況下是4.0至4.2kG，表示在施加梯度磁場時(shí)沒有產(chǎn)生磁飽和。
例2在例1的結(jié)構(gòu)中，把圖3所示的極靴60安裝到永久磁體上。極靴60包括一種如下形成的結(jié)構(gòu)把一個(gè)尺寸為1200mm外徑×1000mm內(nèi)徑×70mm厚的由低碳鋼制造的環(huán)形突出體62，沿周邊安裝到一個(gè)尺寸為1200mm外徑×40mm厚的由純鐵制造的磁性材料基體61上；安裝一個(gè)在環(huán)形突出體62里面使用具有下面規(guī)定的性質(zhì)的非定向硅鋼片把方塊形疊片硅鋼片組裝而成的尺寸為1000mm外徑×15mm厚(中央部位)的盤形硅鋼片層；并且還借助一個(gè)尺寸為1000mm外徑×1mm厚的電木薄板67重疊一個(gè)由方塊形軟鐵氧體63組裝成類似盤形的尺寸為1000mm外徑×10mm厚(中央部位)的軟鐵氧體層。
非定向硅鋼具有Hc＝40A/m，Bs＝1.7T，μ＝12000，和ρ＝45×10-8Ω·m。
當(dāng)用相同方式對(duì)具有上述結(jié)構(gòu)的磁場生成器測量磁性質(zhì)時(shí)，得出在空間中心周圍200mm半徑范圍內(nèi)的磁場均勻性為30ppm，磁場強(qiáng)度為0.3T。此外，對(duì)由梯度磁場線圈中脈沖電流以10ms脈沖寬度產(chǎn)生梯度磁場(8mT/m)時(shí)引起的剩余磁場和渦流作了測量，測量結(jié)果示于表1。
在比較性例1的情況下，其中軟鐵氧體層直接裝到磁性材料基體上，剩余磁場是4mG；而在兩例的情況下，剩余磁場被減至小于比較性例1的剩余磁場的一半。其中例1是利用插在軟鐵氧體層與磁性材料基體之間的電木薄板把軟鐵氧體層疊在磁性材料基體上面，例2是把電木薄板插于硅鋼片與軟鐵氧體層之間。
此外，假定比較性例1中渦流值為1，則兩例的渦流值可用相對(duì)于此值的比值表示?？梢钥吹?，例1和例2的比值均大為減小。
表1剩余磁場 渦流例1 1.5mG 1/4例2 2.0mG 1/5比較性例1 4mG 1根據(jù)本發(fā)明，因?yàn)橐粚?duì)在空間中互相對(duì)立的極靴是按照疊層結(jié)構(gòu)組成的，其中軟鐵氧體或疊片硅鋼片和軟鐵氧體被置于磁性材料基體之上，且一個(gè)合成樹脂層之類的低磁導(dǎo)率和高電阻層被插于軟鐵氧體與磁性材料基體之間或軟鐵氧體與疊片硅鋼片之間，所以能夠防止由永久磁體部件之類的磁場生成源的磁場在軟鐵氧體中引起的磁飽和；并且因?yàn)樵摨B層結(jié)構(gòu)，甚至在梯度磁場線圈的磁場作用下也不會(huì)在軟鐵氧體中部分地或整個(gè)地產(chǎn)生磁飽和，且能夠減小磁通從軟鐵氧體漏失到磁性材料基體或疊片硅鋼片，結(jié)果，能夠減小梯度磁場線圈的磁場在磁性材料基體或疊片硅鋼片中引起的渦流或剩磁的產(chǎn)生，所以能夠按高速圖象拾取所需要的FSE方法或類似方法把梯度磁場用于MRI磁場生成器的磁路空間中的穩(wěn)定脈沖序列控制。
權(quán)利要求
1.一種用于MRI(磁共振成象裝置)的磁場生成器，它具有一對(duì)在空間中互相對(duì)立且在空間中產(chǎn)生一個(gè)磁場的極靴，其中該極靴具有一種疊合結(jié)構(gòu)，其中從空間側(cè)面把一個(gè)軟鐵氧體和一個(gè)磁性材料基體疊裝，及在該軟鐵氧體與該磁性材料基體之間插入一個(gè)低磁導(dǎo)率和高電阻層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于MRI的磁場生成器，其中該低磁導(dǎo)率和高電阻層具有大約為1的磁導(dǎo)率和至少等于該軟鐵氧體電阻率的電阻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于MRI的磁場生成器，其中該低磁導(dǎo)率和高電阻層具有大于0.2Ω·m的電阻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于MRI的磁場生成器，其中該低磁導(dǎo)率和高電阻層是至少由合成樹脂層、陶瓷層、硬木層、纖維板層和空氣層之一構(gòu)成的。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于MRI的磁場生成器，其中該低磁導(dǎo)率和高電阻層是由電木制成的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于MRI的磁場生成器，其中該軟鐵氧體是一種Mn—Zn型軟鐵氧體或Ni—Zn型軟鐵氧體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于MRI的磁場生成器，其中該磁性材料基體是由電磁軟鐵或純鐵制成的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于MRI的磁場生成器，其中該軟鐵氧體是一種Mn—Zn型軟鐵氧體，該低磁導(dǎo)率和高電阻層是由電木制成的，且該磁性材料基體是由純鐵制成的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于MRI的磁場生成器，其中該磁性材料基體呈盤形，且一個(gè)包括一個(gè)有著一個(gè)或多個(gè)徑向槽的磁性材料環(huán)的環(huán)形突出體，裝于該極靴的面向間隙的表面上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于MRI的磁場生成器，其中該磁性材料基體呈長方板形，且一些由磁性材料制成的每個(gè)都呈長方條形的突出體被裝在該極靴面向空間的表面軸向兩端。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于MRI的磁場生成器，其中該軟鐵氧體、該低磁導(dǎo)率和高電阻層與該磁性材料基體中的每個(gè)厚度之間的比值(各個(gè)材料的最大厚度的比值)是5—50∶0.5—5∶10—50。
12.一種用于MRI的磁場生成器，它具有一對(duì)在空間中互相對(duì)立且在空間中產(chǎn)生一個(gè)磁場的極靴，其中該極靴具有一種疊合結(jié)構(gòu)，其中從空間側(cè)面把一個(gè)軟鐵氧體、一些疊片硅鋼片和一個(gè)磁性材料基體疊裝，及在該軟鐵氧體與該疊片硅鋼片之間插入一個(gè)低磁導(dǎo)率和高電阻層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于MRI的磁場生成器，其中該低磁導(dǎo)率和高電阻層具有大約為1的磁導(dǎo)率和至少等于該軟鐵氧體電阻率的電阻率。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的用于MRI的磁場生成器，其中該低磁導(dǎo)率和高電阻層具有大于0.2Ω·m的電阻率。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于MRI的磁場生成器，其中該低磁導(dǎo)率和高電阻層是至少由合成樹脂層、陶瓷層、硬木層、纖維板層和空氣層之一構(gòu)成的。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的用于MRI的磁場生成器，其中該低磁導(dǎo)率和高電阻層是由電木制成的。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于MRI的磁場生成器，其中該軟鐵氧體是一種Mn—Zn型軟鐵氧體或Ni—Zn型軟鐵氧體。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于MRI的磁場生成器，其中該硅鋼片由一種定向硅鋼片或非定向硅鋼片組成。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于MRI的磁場生成器，其中該疊片硅鋼片的磁導(dǎo)率等于或大于該軟鐵氧體的磁導(dǎo)率。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于MRI的磁場生成器，其中該磁性材料基體是由電磁軟鐵或純鐵制成的。
21.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于MRI的磁場生成器，其中該軟鐵氧體是一種Mn—Zn型軟鐵氧體，該低磁導(dǎo)率和高電阻層是由電木制成的，該磁性材料基體是由純鐵制成的，而該疊片硅鋼片是非定向的硅鋼片。
22.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于MRI的磁場生成器，其中該磁性材料基體呈盤形，且一個(gè)包括一個(gè)有著一個(gè)或多個(gè)徑向槽的磁性材料環(huán)的環(huán)形突出體，被裝于該磁極靴的面向間隙的表面上。
23.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于MRI的磁場生成器，其中該磁性材料基體呈長方板形，且一些由一種磁性材料制成的每個(gè)均呈長方條形的突出體，被裝于該極靴的空間對(duì)立表面的軸向兩端。
24.根據(jù)權(quán)利要求12所述的用于MRI的磁場生成器，其中在該軟鐵氧體、該低磁導(dǎo)率和高電阻層、該疊片硅鋼片和該磁性材料基體中的每個(gè)厚度之間的比值(各個(gè)材料的最大厚度之比值)是3—15∶0.5—5∶2—35∶10—50。
全文摘要
一種用于MRI(磁共振成象裝置)的具有一對(duì)在空間互相對(duì)立且在該空間產(chǎn)生磁場的極靴的磁場生成器，其中極靴具有疊層結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中有一軟鐵氧體和一磁性材料基體從該空間的側(cè)面安裝，還有一個(gè)低磁導(dǎo)率和高電阻層插于軟鐵氧體與磁性材料基體之間。軟鐵氧體可以是軟鐵氧體與硅鋼片的疊片結(jié)構(gòu)。由于梯度磁場線圈在極靴中產(chǎn)生的渦流和剩磁被減小，就能夠能高靈敏度和高清晰度進(jìn)行高速圖象拾取。
文檔編號(hào)G01R33/383GK1116312SQ9510541
公開日1996年2月7日 申請(qǐng)日期1995年5月2日 優(yōu)先權(quán)日1994年7月8日
發(fā)明者太田公春, 橋本重生, 結(jié)城正廣, 櫻井秀也 申請(qǐng)人:住友特殊金屬株式會(huì)社