本发明是一种具有大气隙高均匀度磁场的C型永磁磁体，适用于 医用磁共振成像系统(以下简称MRI系统)及类似要求的科学研究与 工业分析仪器设备中。

MRI系统是七十年代末发展起来的一种新型的医疗诊断设备，目 前在生物、医学基础研究与临床医疗诊断等领域正获得日益广泛的 应用。主磁体是MRI系统关键部件之一，可以采用电磁、永磁及超导 三种类型的磁体。超导磁体附属设备较多且非常复杂，运行维护费用 高。电磁磁体耗电量巨大，还必须带有水冷系统。永磁磁体因其工作 可靠，价格低，无需附属设备，运行维护方便，节约能源等优点，越来 越得到重视和发展。

为了获得高质量的诊断图象，要求由主磁体产生的静磁场具有 很高的磁场均匀度，在球径为30厘米的工作区域内，各点磁密相差 在10-4至10-6Tes1a(特斯拉)的范围内，亦即最大偏差为数十毫高 斯。

减轻重量与提高均匀度，目前仍是大气隙高均匀度磁场永磁磁 体所面临的两大技术问题。同时为了适应快速高质量成像、减轻病 人禁闭感(Claustrophobia)、便于医务人员进行观察诊断与治疗的 要求，需要减小涡流和进一步改进磁体结构。

用于MRI系统的永磁磁体可以分成框式(或称闭式)和开式两种形 式。后者是近年来出现和发展的形式，由于可以明显地减轻病人的 禁闭感、同时又便于医务人员的临床观察操作与诊断治疗而受到欢 迎。

美国佛内尔(Fonar)公司设计制造的QED Beta3000是最早应用 于MRI系统的闭式永磁磁体，有铁轭，其工作磁密为3000高斯，以恒 磁铁氧体材料为磁源，总重量为90吨。中国专利85103498是一种改 进结构。以恒磁铁氧体为磁源，磁密为1500高斯，总重为22吨。估 算该方案当磁密达3000高斯时，总重量超过60吨。中国专利 89106300.5是又一种改进的无铁轭的结构，采用锶钙磁铁氧体作为 磁源，磁密为1500高斯时，重量达9吨，但漏磁场范围较大。纽约大 学医学院(NYSM)研制的另一种磁体(见IEEE Transaction on Magnetics，Vol.Mag-25，No.5，P3904-3906)由不同形状、不同 充磁方向的永磁磁块拚装而成，加工和安装都非常复杂。

以上几种方案都是闭式结构MRI永磁磁体，由磁块或铁轭围成封 闭的气隙，病人只能从两端进入气隙中并受到禁闭，医务人员也难于 做临床观察和治疗。

美国通用原子(General Atomics，简称GA)公司的美国专利 U.S.Patent No.4943774是一种开式结构的永磁磁体(见图4)。 磁块(1)按环形排列，安装在上下两块铁轭(2)上。上下两部分的四 个角上用四根由铁磁材料制成的圆柱(3)支撑。这四根柱子也作为 磁通路径，柱子支撑的上下两铁轭之间形成开放的磁场。但是由于 仅仅以四根柱子作为磁通返回路径，逸漏的杂散磁场范围较大，整个 主磁体的设计效率并不高。

如图5所示，由Picker公司申请的英国专利U.K.Patent No. 2136209是另一种开式永磁磁体，采用横卧U型形式。磁块(1)安装 在上下两铁轭板(2)上，U型侧铁轭(3)兼作支撑及磁通返回路径用。 该磁体中，磁块与侧铁轭距离较大，也没有采取内部防漏措施，因而 气隙中漏磁场较大，又因铁磁材料的用量大，所以整个磁体的重量 与体积都较大。

在MRI系统中，为了确定成像的空间信息，要在静磁场上施加一 个三维梯度场。在成像过程中，梯度场的强度和方向是快速变化的， 变换速度一般高于1000Hz，并且为了适应日益发展的快速、高质量 成像的要求，变换速度还在提高。但是，高速变换的梯度场在磁体中 引起的涡流，使得梯度脉冲的上升时间t1与下降时间t2变长，参见图 3，从而降低了信噪比，导致成像质量的下降。为了降低梯度脉冲的 上升时间t1与下降时间t2的值，削弱涡流的影响，通常的方法或是 降低梯度场的变换速度，或是采用涡流补偿线圈。前者使得成像速 度也随之降低，后者增加了许多附属设备，消耗了电能。

本发明的目的是提供一种改进的开式大气隙高均匀度磁场的MRI 系统用永磁磁体，并在磁体极板上附加了减小因梯度脉冲变换所引 起的涡流的覆盖层，使图象质量得到提高。

本发明开式永磁磁体的结构是这样的，从端面或横断面看，磁体 呈C型，有水平对称轴线，气隙一侧开口而不闭合；一C型铁轭，由 上下两平行段和连接两平行段的侧连接段三部分组成；主磁块、侧 磁块和角磁块安装在C型铁轭内侧，数量各为两块；两主磁块互相 平行，位于C型铁轭上下两平行段的内侧，两侧磁块位于铁轭侧连 接段的内侧，两角磁块位于上下主磁块和侧磁块之间的间隙中并与 二者紧贴；两块极板互相平行且对称地安装在上下两主磁块表面， 两极板表面各覆盖了用高导磁、高电阻材料制成的覆盖层，沿覆盖 层表面的边缘各有一副极环，极环的纵断面呈矩形或圆环形；紧贴 覆盖层和侧磁块朝向气隙的表面，各有一组垫补铁片阵；由主磁块、 极板、侧磁块、角磁块及部分铁轭连接段组成磁路的闭合部分，带 有覆盖层的上下两极板之间的气隙的中心区域是成像工作区。

主磁块、极板和覆盖层三者的横向宽度及纵向长度相等，侧磁 块和角磁块的纵向长度与主磁块的纵向长度相等，主磁块的纵向长 度即磁体的纵向长度，等于气隙高度的2至2.5倍。当极环纵断面为 矩形时，其横向宽度和纵向长度与极板相同；极环纵断面是圆环形 时，其外直径与极板的横向宽度相等。

本发明磁体各磁块的磁性取向是这样的：上下主磁块的磁性取 向方向为垂直向下，上侧磁块---水平向右，下侧磁块---水平向左， 上角磁块---与水平对称轴线成45°角指向右下方，下角磁块---与 水平对称轴线成45°角指向左下方。

下面结合附图详细说明本发明内容。如图1所示，从端面看，本 发明永磁磁体的铁轭和气隙在同一侧开口，有水平对称轴线，主要 构件对称布置，C型铁轭由上下两平行段(4)和连接平行段的侧连接 段(6)组成，安装在铁轭内侧的主磁块(1)、侧磁块(2)和角磁块(3) 各有两块；互相平行的两主磁块(1)装在铁轭上下两平行段(4)的内 侧；两侧磁块(2)装在铁轭侧连接段(6)的内侧；两角磁块(3)位于 主磁块(1)和侧磁块(2)之间的间隙中并与二者紧贴；两块互相平行 的极板(5)装在主磁块(1)的表面，极板(5)表面有覆盖层(7)，覆盖 层(7)上有一副极环(8)；紧贴覆盖层(7)和侧磁块(2)表面，各有一 组垫补铁片阵(9)。各磁块的磁性取向在上文已说明并在图1上表示 出来。

角磁块(3)横断面为等腰直角三角形，直角边的长度与主磁块 (1)的高度相等，角磁块(3)的右侧面紧贴主磁块(1)的左侧面，下 侧面紧贴侧磁块(2)的上侧面。侧磁块(2)的左侧面紧贴铁轭侧连接 段(6)的内侧壁，右侧面有2至10级阶梯，其上布置有垫补铁片阵 (9)。极板(5)表面的覆盖层(7)的厚度为极板(5)厚度的六分之一至 三分之一。极环(8)的横断面是矩形或梯形(包括直角梯形)。

本发明磁体的C形铁轭中，上下两平行段端部(10)的外侧的横 断面呈阶梯形，如图2(a)所示，例如每端外侧各有3级阶梯，各阶梯的 高度为铁轭上下平行段端部(10)的厚度的三分之一，各阶梯长度为 主磁块(1)横向宽度的四分之一至三分之一。与端部截面呈矩形的 铁轭(图2(b))相比，端部呈阶梯形的铁轭以及安置在铁轭内侧的主 磁块(1)中的磁通分布均匀，既提高了气隙中磁场的均匀度，又减轻 了重量。从磁体端面看，铁轭侧连接段(6)上下二端的内侧和外侧 均呈45°倒角状，如图1所示，即侧连接段(6)的上下二端各向右上 和右下倾斜45°，侧连接段(6)的内侧，倒角的高度与主磁块(1)的高 度相等，使角磁块(3)可以直接安装到铁轭内侧的两个角上。这种 形状可以使铁轭内侧两个倒角附近的磁饱和程度降低。

本发明中，极板(5)的覆盖层(7)起到减小涡流的作用，使梯度脉 冲的上升时间t1与下降时间t2降低(如图3所示)，从而使诊断图像 的质量得到提高。覆盖层(7)选用导磁性能良好并具有高电阻率的 硬磁材料，其电阻率应在1.4μΩ·m以上。这种硬磁材料有恒磁铁氧 体、透磁合金，以及主要由铁粉与树脂构成的磁性混合物。覆盖层 (7)可以是直接压制成的一水平光洁的薄板，也可以将分散的小块直 接粘贴在极板(5)表面。覆盖层(7)的厚度为极板(5)厚度的六分之 一至三分之一，视气隙磁密和梯度脉冲的大小而定。本发明在极板 (5)表面附加了覆盖层(7)之后，梯度脉冲上升时间t1与下降时间 t2显著下降，由3毫秒左右下降到1毫秒左右，信噪比得到提高，图象 质量有了明显的改善。

本发明磁体中极环(8)的作用是抬高气隙边缘处的磁密值，从而 改善气隙中磁场的均匀度。极板(5)的厚度根据选定尺寸的刚度要 求而定，与磁路计算无关。

本发明磁体加上四组垫补铁片阵(9)以后，气隙中磁场的均匀度 有较大的改善，工作区内各点的磁密最大偏差为数十毫高斯，在球直 径为30cm的成像区域内，达到80ppm至100ppm的指标。进而在采用 通电匀场线圈(不属于本发明)校正磁场后，则可达到10ppm至 50ppm的指标。

本发明磁体的各磁块选用去磁特性为线性的永磁材料制作，如 恒磁铁氧体、钐钴永磁、钕铁硼永磁等，并要求工作点落在最大磁 能积附近。铁轭、极板和极环选用饱和磁密值在1.8Tesla以上的铁 磁材料，如电工纯铁。

本发明有以下显著的特点并体现了技术上的先进性：

(1)磁体结构紧凑，重量轻。不封闭的C形铁轭节省了材料，铁轭 侧连接段靠近主磁块，仅隔一角磁块的距离。根据本发明构思，制造 在30厘米球直径的工作区内气隙磁密为1500高斯的磁体，以铁氧体 为磁源总重为9吨，仅为中国专利85103498磁体重量的41％，并与中 国专利89106300.5无铁轭磁体的重量基本相等。采用本发明设计， 以钕铁硼永磁作为磁源，制造在30厘米球直径的工作区内气隙磁密 为3500高斯的磁体，总重仅为16吨。可以推算，若与英国专利 2136209制造的磁体相比，本发明磁体的重量减轻20％左右，而体积 减小30％左右。与其他开式结构磁体相比，本发明磁体漏磁场范围减 小10％至20％。

(2)C型磁体三侧开口，病人可改变体位进入气隙，同时也减轻了 病人的禁闭感，方便了医务人员做临床观察、诊断与治疗。

(3)极板表面有一层高导磁、高电阻材料的覆盖层，减少了由于 梯度脉冲变换所引起的涡流，降低了梯度脉冲的上升时间与下降时 间，适应了快速、高质量的成像要求。

说明本发明内容和背景有以下附图。 图1本发明C型永磁磁体端视图 图2两种形状的端部铁轭比较

(a)横断面为阶梯形(本发明)

(b)横断面为矩形 图3两种梯度脉冲波形

(a)无涡流的理想情况下

(b)有涡流时 图4 GA公司的开式永磁磁体 图5 Picker公司的横卧U型永磁磁体端视图

以下是如图1所示本发明的几个实施例的主要技术参数。

实施例1 工作区磁密           B＝1500高斯 磁源    锶钙恒磁铁氧体

    剩磁密度     Br＝3800高斯

    矫顽力       Hc＝2700奥斯特

    最大磁能积   (BH)max＝3.2×106高斯·奥斯特 气隙    高度         490毫米

    宽度         1050毫米 主磁块  高度         370毫米

    横向宽度     1050毫米

    纵向长度     1100毫米 侧磁块  高度         150至200毫米

    横向宽度     约350毫米

    纵向长度     1100毫米

    朝向气隙侧所含阶梯数目 3至5个

    阶梯高度     约50毫米

    阶梯宽度     15至30毫米 角磁块  高度(等腰直角三角形直角边长) 370毫米

    纵向长度     1100毫米 铁轭    平行段端部厚度            90毫米

    平行段端部所含阶梯宽度    220毫米

    侧连接段厚度              380毫米 极板    厚度             40毫米

    横向宽度         1050毫米

    纵向长度         1100毫米 极环    横断面形状   矩形

    横断面长度   18毫米

    横断面宽度   10毫米

    纵断面形状   矩形

    纵断面长度   1100毫米

         纵断面宽度          1050毫米

覆盖层   厚度                14毫米

磁体总长度                   1600毫米

磁体总重量                   11吨

磁场均匀度在气隙中心球直径为30厘米的范围内的磁场均匀 度不低于100ppm。

实施例2

工作区磁密                 B＝3000高斯

磁源     钕铁硼永磁体

         剩磁密度          Br＝11200高斯

         矫顽力            Hc＝10500奥斯特

         最大磁能积        (BH)max＝3.0×107高斯·奥斯特

气隙     高度              490毫米

         宽度              1000毫米

主磁块   高度              200毫米

         横向宽度          1000毫米

         纵向长度          1000毫米

侧磁块   高度              100至200毫米

         横向宽度          10至25毫米

         纵向长度          1000毫米

         朝向气隙侧所含阶梯数目   2至4个

         阶梯高度          约85毫米

         阶梯宽度          3至10毫米

角磁块   高度(等腰直角三角形直角边长)  200毫米

      纵向长度                  1000毫米

铁轭  平行段端部厚度            90毫米

      平行段端部铁轭所含阶梯宽度       240毫米

      侧连接段厚度              260毫米

极板  厚度                      40毫米

      横向宽度                  1000毫米

      纵向长度                  1000毫米

极环  横断面形状                矩形

      横断面长度                22毫米

      横断面宽度                12毫米

      纵断面形状                矩形

      纵断面长度                1000毫米

      纵断面宽度                1000毫米

覆盖层厚度                      16毫米

磁体总长度                      1500毫米

磁体总重量                      13吨

磁场均匀度在气隙中心球直径为30厘米的范围内的磁场均匀 度不低于100ppm。

实施例3

工作区磁密            B＝3500高斯

磁源    钕铁硼永磁体

        剩磁密度      Br＝11200高斯

        矫顽力        Hc＝10500奥斯特

        最大磁能积    (BH)max＝3.0×107高斯·奥斯特 气隙    高度            490毫米

    宽度            1000毫米 主磁块  高度            250毫米

    横向宽度        1000毫米

    纵向长度        1000毫米 侧磁块  高度            100至200毫米

    横向宽度        10至25毫米

    纵向长度        1000毫米

    朝向气隙侧所含阶梯数目    2至4个

    阶梯高度        约85毫米

    阶梯宽度        3至10毫米 角磁块  高度(等腰直角三角形直角边长)    250毫米

    纵向长度        1000毫米 铁轭    平行段端部厚度  100毫米

    平行段端部铁轭所含阶梯宽度      240毫米

    侧连接段厚度    300毫米 极板    厚度            40毫米

    横向宽度        1000毫米

    纵向长度        1000毫米 极环    横断面形状      矩形

    横断面长度      26毫米

    横断面宽度      14毫米

    纵断面形状      矩形

    纵断面长度      1000毫米

        纵断面宽度    1000毫米

覆盖层  厚度          18毫米

磁体总长度            1600毫米

磁体总重量            16吨

磁场均匀度在气隙中心球直径为30厘米的范围内的磁场均匀 度不低于100ppm。