一种超导磁体及其匀场装置和匀场方法

摘要

本发明提出一种超导磁体的匀场装置，其特征在于，所述匀场装置包括：至少二个匀场件和至少二个丝杆；各个所述丝杆组件层层嵌套，从最外层到最内层，各个所述丝杆的长度依次递增；所述丝杆的杆头设有螺纹；各个所述匀场件具有一个通孔，各个所述通孔设有与相应的所述杆头匹配的螺纹，从而分别安装在相应的所述杆头上，其中，所述匀场件在相应的所述丝杆转动时，能够沿所述丝杆的轴向平动。本发明通过在整个超导磁场范围配备匀场件有效地提高了超导磁体的FOV的范围；同时本发明通过利用嵌套多个丝杆分别控制各个匀场件的方式有效提高了各个匀场件在匀场通道中的位置的灵活性，还通过在匀场件中放置匀场片的方式有效提高了匀场片数量的灵活性。

说明书

技术领域

本发明涉及磁共振成像技术领域，特别涉及一种磁共振系统的超导磁体及其匀场装置 和匀场方法。

背景技术

现有磁共振系统中，可利用超导磁体产生磁场，进而利用该磁场进行磁共振成像。 为保证图像质量，对成像区域（FOV）的磁场均匀性有很高的要求。超导磁体通常为环 形柱状结构，由于制造误差、材料差异、环境改变等原因，成像区域（FOV）的磁场通 常是不均匀的，因此，需要采取一定的措施，来进行校正，以便获得成像质量好的磁共 振图像。

具体而言，现有磁共振系统中，圆筒状的超导磁场发生器包括含有超导磁体的外部真空 容器，以及冷却装置，如制冷机，以保持超导磁体处于低温状态从而使超导成为可能。圆筒 状的梯度线圈组件位于圆柱形磁体外部真空容器的孔内，成像对象置于磁体外部真空容器的 孔中。在梯度线圈组件的材料内设置了许多匀场通道，这些匀场通道沿着圆筒状的磁体外部 真空容器的轴向贯通梯度线圈组件。现有磁共振系统中，还配有与匀场通道一一对应的匀场 条，每个匀场条上还配有多个匀场格，每个匀场格中可以填充匀场片。

在调节磁场均匀性时，首先，通过实际测量值计算确定出为调节磁场均匀性所需的匀场 片的位置以及数量；然后，在匀场条的相应位置中放入相应数量的匀场片；最后，将相应的 匀场条插入相应的匀场通道中。上述过程称为一次匀场迭代（shimming iteration）。按照这种 方式处理一次后，如果磁场的均匀性仍不符合要求，那么可将插入匀场通道中的匀场条抽出， 再次进行匀场迭代，甚至多次进行匀场迭代，直至磁场均匀性符合要求为止。

但是，上述处理方式在实际应用中会存在一定的问题，比如：由于匀场片具有较高的磁 导率，因此对承载大量匀场片的匀场条进行的操作，即将承载大量匀场片的匀场条放入磁场 或从磁场中取出的过程中，会与磁场产生作用力，而将承载大量匀场片的匀场条放入磁场或 从磁场中取出的过程均是人工操作的，如果该作用力较强那么存在对操作人员造成伤害的危 险。同时，研究表明磁体在场时当匀场件在匀场通道的内部时，作用于匀场件上的力较小， 通常为几牛顿量级；同时，当匀场件移出匀场通道或进入匀场件通道时，作用于匀场件的力 （数百牛顿）大得多。

因此，在实际应用中，在将匀场条插入磁场或从磁场中抽出匀场条之前，通常先进行降 场操作，然后，待将匀场条插入磁场或从磁场中抽出之后，再进行升场操作，使超导磁体所 产生的磁场恢复到正常值。但是，这种处理方式也存在一定的问题，比如：超导磁体的腔体 内装有大量的液氦，用于为超导磁体上的超导线提供必须的低温环境，而降场和升场的过程 会导致液氦的挥发，从而造成液氦的浪费，而众所周知，液氦的成本是非常高的；其次，每 次降场和升场之间必须间隔一定的时间，因此进行多次降场和升场会浪费很多时间；另外， 如上所述，每次降场和升场之间必须间隔一定的时间，且存在引起超导磁体失超的风险，液 氦会大量挥发，不能产生磁场，从而需要操作人员对超导磁体进行加灌液氦等维修处理，不 但增加了成本，而且也影响了超导磁体的正常使用。

为了解决上述问题，中国专利申请公布号CN 101916640A通过以下方式来平衡磁场均匀 性和降场/升场之间的矛盾。一种用于磁共振系统的匀场装置，包括：一个螺纹杆，轴向穿过 匀场件；匀场件，有一个协作的螺纹通孔；其中，螺纹杆穿过匀场件中。根据该匀场装置， 匀场件通过转动螺纹杆而移动。

利用上述匀场装置，操作者可以在位于待匀场的磁场周围的匀场通道内移动匀场件使磁 场匀场。同时，在匀场操作时，由于匀场通道内没有移入或移出匀场件，匀场操作可在磁体 在场的情况下实施。

可见，在本技术领域存在如下改进空间：

1、根据现有技术，在用来移动匀场件的装置上只安装有一个匀场件的情况下，难以覆盖 较大的磁场范围，因此对于较大的成像区域（FOV）的匀场效能有待提高；

2、根据现有技术，在用来移动匀场件的装置上安装有多个匀场件的情况下，这些匀场件 的位置相对固定，亦即无法单独调整这些匀场件的位置，因此从控制匀场件的位置的方面匀 场效能有待提高；

3、根据现有技术，匀场件是整体成型的，亦即无法调整单个匀场件的大小或组成，因此 从匀场件的大小或组成方面匀场效能有待提高；

4、根据现有技术，匀场件是整体成型的，但是整体成型的匀场件受涡流的影响较大：当 磁场工作时，匀场件的温度会升高，而温度变化会导致匀场件的磁性变化，因此导致匀场稳 定性有待提高。

发明内容

为了扩大磁共振系统的成像区域、提高匀场件位置和数量的灵活性并且减少涡流降低温 度，本发明的一个具体实施例提出一种超导磁体的匀场装置，所述匀场装置包括：至少二个 匀场件和至少二个丝杆；各个所述丝杆组件层层嵌套，从最外层到最内层，各个所述丝杆的 长度依次递增；所述丝杆的杆头设有螺纹；各个所述匀场件具有一个通孔，各个所述通孔设 有与相应的所述杆头匹配的螺纹，从而分别安装在相应的所述杆头上，其中，所述匀场件在 相应的所述丝杆转动时，能够沿所述丝杆的轴向平动。

优选地，所述匀场件的径向截面是非圆形的。

优选地，所述匀场件包括匀场片和/或非磁性的填充片以及固定件，其中所述匀场片 和填充片的数量可调，所述固定件用于承载并固定所述匀场片。

优选地，所述固定件是配有所述通孔的芯轴，所述芯轴两端配有凸缘，其中至少一 个凸缘是可拆卸的，所述凸缘将所述匀场片和/或匀场片固定在所述芯轴上。

优选地，所述固定件是匀场盒，所述匀场盒包括两个对称组件，所述对称组件一侧 配有凹部使得两个所述凹部相对组成所述通孔。

优选地，所述丝杆在所述超导磁体外侧的一端包括一个旋钮，所述匀场装置还包括 一个法兰盘，所述法兰盘位于所述超导磁体和最外层丝杆的所述旋钮之间。

优选地，从最内层丝杆到最外层丝杆，各个所述旋钮的半径依次递增，所述法兰盘 的半径大于最外层丝杆的所述旋钮。

优选地，所述旋钮和所述法兰盘包括可拆卸的紧固件，其中，所述法兰盘的所述紧 固件将所述法兰盘固定于所述超导磁体上；最外层丝杆的旋钮的所述紧固件将该旋钮固 定于所述法兰盘上；其他丝杆的旋钮的所述紧固件将该旋钮固定于其外一层丝杆的旋钮 上。

优选地，所述杆头包括凸部，所述凸部位于所述杆头在所述超导磁体外侧一端，所 述法兰盘包括凹部，其中，最外层丝杆的杆头的所述凸部与所述凹部匹配；其他丝杆的 杆头的所述凸部顶着其外一层的丝杆的杆头的顶端。

为了达到上述发明目的，本发明还提出了一种超导磁体，包括至少一个如上任一所 述的匀场装置和分别与所述匀场装置匹配的至少一个匀场通道。

优选地，所述匀场通道中置有两个所述匀场装置，所述匀场装置的长度与所述匀场通 道的一半长度相同，两个所述匀场装置分别从所述匀场通道的两端引入。

优选地，所述匀场通道中置有一个所述匀场装置，所述匀场装置的长度与所述匀场 通道的长度相同。

为了达到上述发明目的，本发明还提出了一种用于上述任一超导磁体的匀场方法， 在所述超导磁体的磁场存在的情况下，通过旋转所述丝杆带动所述匀场件分别在所述匀 场通道内平移。

从上述技术方案可以看出，本发明的具体实施例提供的匀场装置通过在整个超导磁 体内的磁场范围配备匀场件，从而有效地提高了超导磁体的FOV的范围；同时本发明的 具体实施例提供的匀场装置通过利用嵌套多个丝杆分别控制各个匀场件的方式，有效提 高了各个匀场件在超导磁体中的位置的灵活性，还通过在匀场件中放置匀场片的方式， 有效提高了匀场片数量的灵活性；并且由于单个匀场片体积较小，因此相对于整体形成 的匀场件有效降低了涡流从而提高了磁场稳定性。

附图说明

图1是配有根据本发明的具体实施例的匀场装置的超导磁体的径向截面图。

图2是根据本发明的具体实施例的匀场装置的整体侧截面图。

图3是根据本发明的具体实施例的匀场装置的部分侧截面图。

图4A和图4B是根据本发明的具体实施例的匀场装置中的匀场件的截面图。

图5是根据本发明的具体实施例的匀场装置的端部视图。

图6是根据本发明的具体实施例的梯度线圈及其匀场通道的径向截面图。

外部真空容器101    制冷机102    射频线圈组件103

梯度线圈组件104    孔105        匀场通道106

匀场片203          匀场件204    法兰盘206    凸部207    紧固件208

丝杆组件205        丝杆2050     杆体20501    旋钮20502

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描 述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。应当理解，此处所描述的具体 实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技 术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

为了达到有效地对磁共振系统的磁场进行匀场的目的，特别是圆筒状的超导磁体产生的 磁场，本发明提供一种磁共振系统的匀场装置。其核心在于，利用丝杆能够将回转运动转化 为平移运动的原理，通过旋转丝杆组件的旋钮以转动丝杆的杆体来带动与丝杆匹配的匀场件 在匀场通道的轴向上平移，从而调整匀场件中匀场片的位置进而调节磁场的均匀性。

具体而言，根据本发明的匀场装置包括层层嵌套的多级丝杆和分别与各级丝杆匹配的多 个匀场件，多个匀场件分别嵌套在各级丝杆上，即匀场件的与丝杆接触的内表面上设有与丝 杆匹配的螺纹，将匀场装置置于磁共振系统的梯度线圈的匀场通道中，利用丝杆能够将回转 运动转化为平移运动的原理，通过旋转丝杆的旋钮以转动丝杆的杆体来带动与丝杆匹配的匀 场件在匀场通道的轴向上平移，从而对磁共振系统的磁场进行匀场调节；同时利用丝杆和匀 场件之间的螺纹配合的自锁功能使丝杆在无转动的状态下和匀场件相对固定，从而保持匀场 调节效果。

图1是配有根据本发明具体实施例的匀场装置的超导磁体的径向截面图。如图1所示， 圆筒状的超导磁场发生器包括含有超导磁体的外部真空容器101，冷却装置，如制冷机102， 以保持超导磁体处于低温状态从而使超导成为可能，射频线圈组件103，用于发射频信号， 梯度线圈组件104。其中体线圈组件103和梯度线圈组件104都位于圆柱形超导磁体的外部 真空容器101的孔105内，体线圈103的半径小于梯度线圈组件104，成像对象置于超导磁 体的外部真空容器101的孔105中。在梯度线圈组件104的材料内设置了许多匀场通道106。 这些匀场通道106沿着圆筒状的超导磁体的外部真空容器101的轴向贯通梯度线圈组件104。 在本说明书和所附权利要求中，术语“径向”将用于指与圆柱形超导磁体的外部真空容器101 的轴向垂直的方向，术语“内”、“内侧”或“内部”将用于指孔105之内或从孔105之外指 向孔105之内，术语“外”、“外侧”或“外部”将用于指孔105之外或从孔105之内指向孔 105之外。

这将在下面予以更详细的描述，匀场通道也可以或可选地被放置于梯度线圈组件的径向 外表面或者在梯度线圈组件104径向内表面和成像区域之间。根据本发明的具体实施例的匀 场装置是设置在匀场通道中的匀场装置，不限于在梯度线圈组件内形成的匀场通道。实际上， 本发明的匀场通道可设置在任何主体中，或在主体之间的空间中，例如，当一个射频线圈组 件设置于梯度线圈组件的孔内时，匀场通道可径向设置在梯度线圈组件和射频线圈组件之间。

在根据本发明的具体实施例中，在一个典型的全身磁共振系统中，可设置数量相对较多 的匀场通道。所有的匀场通道可被布置成距离梯度线圈轴的径向距离相同，或在离梯度线圈 轴的不同径向距离之处设置不止一圈匀场通道。匀场通道可有不同的径向截面形状和截面面 积。

超导磁体需要在成像区域内产生一个非常均匀的磁场，也可称为均匀区域。根据本发明 的匀场装置被设置成放置在匀场通道中用于补偿在成像区域内的磁体产生的磁场中的不均匀 性。

图2是根据本发明具体实施例的匀场装置的整体侧截面图，图3是根据本发明具体实施 例的匀场装置的部分侧截面图。根据本发明的具体实施例，如图2和图3所示，根据本发明 的匀场装置包括多个匀场件204、丝杆组件205和法兰盘206。其中，丝杆组件205是由多个 丝杆2050以嵌套结构组成的，各个匀场件204与各个丝杆2050分别匹配，法兰盘206与梯 度线圈组件104的端部固定。

如图2所示，为了操作方便，在本发明的具体实施例中，长度与匀场通道轴向一半长度 相同的丝杆组件205连同多个匀场件204从各匀场通道的两端分别引入；但是，操作者也可 以使用长度与匀场通道轴向长度相同的丝杆组件205连同多个匀场件204从各匀场通道的一 端引入。根据本发明的具体实施例的匀场通道的径向截面是矩形的，匀场装置中的匀场件与 匀场通道的径向截面匹配，匀场通道的径向截面形状还可以是其他非圆形的形状。

如图2和图3所示，按照嵌套位置，每个丝杆的长度依次递减，即，最内层的丝杆最长， 最外层的丝杆最短，各个丝杆的杆头（即，伸出嵌套于其外层的丝杆外的部分）上均设有螺 纹，所述杆头分别配有与杆头的螺纹匹配的匀场件，从而对磁场的各个区域进行匀场。其中， 丝杆2050包括杆体20501和旋钮20502，其中旋钮20502位于杆体20501的顶部。当进行匀 场调节时，操作者旋转旋钮20502来转动杆体20501，从而使与该丝杆匹配的匀场件沿着杆 体20501平移。

如图2所示，丝杆组件205包括以嵌套结构组合起来的5个丝杆2050，每个丝杆的杆头 都设有凸部207，凸部207是位于杆头在磁体外侧一端的圆周状的凸起。最外层的丝杆的凸 部207与法兰盘206的凹部匹配。由此，当进行匀场调节时，在法兰盘206与梯度线圈组件 104固定的情况下，凸部207与凹部的匹配能够保证最外层的丝杆不会在匀场通道106的轴 向上移动，尤其是向磁体外移动。除最外层的丝杆外，其他丝杆的杆体20501的凸部207， 也恰位于丝杆的杆体与其外层的丝杆的杆体的结合处，因此，当法兰盘206与梯度线圈组件 104固定时，本丝杆的凸部207的外侧和其外层的丝杆的顶端的内侧匹配，用于保证除最外 层的丝杆外的丝杆不会在匀场通道106的轴向上移动，尤其是沿超导磁体外部方向移动。

如图3所示，根据本发明的匀场装置的丝杆组件205的各个丝杆2050的旋钮20502上都 包括紧固件208，除最外层的丝杆外的丝杆的紧固件208将本丝杆的的旋钮固定于本丝杆外 嵌套的丝杆的旋钮上；同时，最外层的丝杆的紧固件208将本丝杆的的旋钮固定于法兰盘206 上。当磁体处于工作状态时，由于法兰盘206与梯度线圈组件104固定，旋钮20502即与梯 度线圈组件104固定，从而保证丝杆组件205不会转动导致匀场件204在丝杆2050上平移。 如上所述，使用螺钉将法兰盘206与梯度线圈组件104的端部固定起来，本领域技术人员还 可以采用其他可拆卸的方式将法兰盘206与梯度线圈组件104的端部固定起来，也可采用其 他固定方式来避免在磁体处于工作状态时丝杆组件205转动而导致匀场件204在丝杆上平移。

图4A和图4B是根据本发明的具体实施例的匀场装置中的匀场件的截面图。匀场件204 安装在每个丝杆的杆头（即，伸出嵌套于其外层的丝杆外的部分）。具体而言，匀场件204具 有通孔，通孔配有与相应的丝杆的螺纹匹配的螺纹，由此，丝杆2050与匀场件204匹配。由 此可见，当进行匀场调节时，操作者并非通过推拉丝杆组件在匀场通道内移动匀场件，而是 通过依次转动各个丝杆2050带动螺纹转动而在轴向上驱动各个匀场件204；当完成匀场调节 时，操作者不必为匀场件提供独立的保持装置，因为各个丝杆与其相应的匀场件内的螺纹之 间的自锁性足够维持匀场件固定在合适的位置。

如图4A所示，匀场件204包括一个带有内螺纹的芯轴，多个开有中心孔的匀场片 203沿轴向套在芯轴外部，并通过螺栓螺母或其它方式方便可靠地固定在一起，芯轴两端 配有凸缘，其中至少一个凸缘是可拆卸的，所述凸缘把匀场片203固定在其间，芯轴的 内螺纹与丝杆组件上的螺纹相配合。整个匀场件204的径向截面是与匀场通道106的径 向截面匹配的矩形。如图4B所示，匀场件204是径向截面与匀场通道106的径向截面匹配 的盒状结构，包括两个对称组件，这两个对称组件分别承载匀场片203，匀场片203的形状 与这两个部分的内部空间相匹配，所述对称组件配有与所述杆头匹配的凹部并且所述凹部 内配有与所述杆头的螺纹匹配的内螺纹。在匀场件204未被匀场片203填满的情况下，需 要非磁性材料的填充物填满以固定匀场片，从而保证匀场件204的匀场性能稳定。匀场片为 由低碳钢制成的薄片，产生的涡流影响较小，因此具有较高的匀场稳定性。

图5是根据本发明具体实施例的匀场装置的端部视图。如图5所示，旋钮20502位于杆 体20501的顶部，各个丝杆2050的旋钮20502按照嵌套顺序次位于本丝杆外嵌套的丝杆的旋 钮之上，因此，最外层的丝杆的旋钮位于全部旋钮的最下方并且与法兰盘206直接接触。操 作者可以旋转各个丝杆的旋钮从而调整相应的匀场件的位置，达到调节磁共振系统的磁场的 均匀性的目的。在调节磁场均匀性时，丝杆组件无需从匀场件通道端部伸出：除了手动旋转 旋钮的方式外，还可以设置一种转动丝杆的工具，比如气动工具、液压马达或其他步进工具， 从而在匀场调节中增加一定程度的自动化、稳定性和准确性。

总而言之，通过多个匀场件204与多个丝杆2050之间的匹配，丝杆组件205和法兰盘 206之间的匹配、多个丝杆2050之间的匹配以及法兰盘206与梯度线圈组件104之间的匹配， 能够保证当匀场装置工作时，操作者可以旋转各个丝杆的旋钮从而调整相应的匀场件的位置， 达到调节磁共振系统的磁场的均匀性的目的。当匀场操作完成,磁体处于工作状态时，匀场装 置及其各个部件在匀场通道106内的位置保持固定。

同时，由于根据本发明的具体实施例利用丝杆组件与匀场件之间的螺纹将旋钮的转动转 化为匀场件的平动，所以有必要保证匀场盒不在匀场通道内转动。这可以通过使用非圆形径 向截面的匀场件和与其匹配的匀场通道轻易达成。图6是根据本发明具体实施例的梯度线圈 及其匀场通道的径向截面图，如图6所示，根据本发明具体实施例的梯度线圈的匀场通道的 径向截面是矩形，通过上述设置，匀场件能够在匀场通道内轴向移动但无法转动。换句话说， 只要匀场件以及与匀场件的外径匹配的匀场通道非圆形即可保证匀场件不在匀场通道内转 动。

根据本发明的匀场装置的优点在于：首先，由于无需将匀场调节装置从匀场通道中取出 即可对匀场件（匀场片）的位置进行调节，因此大大简化了匀场调节操作的复杂性，提高了 调节操作的安全性，节省了操作时间；其次，由于无需将匀场调节装置从匀场通道中取出即 可对匀场件（匀场片）的位置进行调节，因此无需频繁进行升场/降场操作，从而最大程度地 降低了液氦损失；另外，由于在轴向上包括多个匀场件并且可以独立调节每个匀场件的位置， 因此提高了匀场调节的覆盖范围和最终效果，可实现在较大的成像区域（FOV）内的磁场均 匀性；第四，由于采用匀场件承载匀场片，各个匀场件中匀场片的数量可以事先调整,因此提 高了匀场调节的精确性；最后，由于匀场片采用低碳钢片制成，降低了产生涡流的影响,因 此提高了匀场调节的稳定性。

根据本发明的匀场装置的工作方式的核心在于：匀场装置包括层层嵌套的多级丝杆组件 和分别与各级丝杆组件匹配的匀场件，利用丝杆组件能够将回转运动转化为平移运动的原理， 通过依次旋转丝杆组件的旋钮来转动丝杆组件的杆体来带动与丝杆组件匹配的各个匀场件分 别在匀场通道内的轴向上平移，从而调整匀场件中匀场片的位置进而调节磁场的均匀性。

本发明提出一种超导磁体的匀场装置，其特征在于，所述匀场装置包括：至少二个 匀场件和至少二个丝杆；各个所述丝杆组件层层嵌套，从最外层到最内层，各个所述丝 杆的长度依次递增；所述丝杆的杆头设有螺纹；各个所述匀场件具有一个通孔，各个所 述通孔设有与相应的所述杆头匹配的螺纹，从而分别安装在相应的所述杆头上，其中， 所述匀场件在相应的所述丝杆转动时，能够沿所述丝杆的轴向平动。本发明通过在整个 超导磁场范围配备匀场件有效地提高了超导磁体的FOV的范围；同时本发明通过利用嵌 套多个丝杆分别控制各个匀场件的方式有效提高了各个匀场件在匀场通道中的位置的灵 活性，还通过在匀场件中放置匀场片的方式有效提高了匀场片数量的灵活性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。