CN101109720B - 测量磁性材料磁感应强度对温度变化特性的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁共振领域，为了检测磁性材料温度参数，本发明提供了一种测量磁性材料磁感应强度对温度变化特性的方法及装置，本发明方法包括在磁共振装置的有效成像范围内的任意一点A设置探头；在A点设置待测磁性材料，将其与加热单元紧密接触，并将一温度传感器紧贴于待测磁性材料；由温度控制单元根据温度传感器采集的信息调节和控制加热单元对待测磁性材料进行加温；磁共振***的处理单元实时控制A点探头并接收该磁共振信号送入磁共振***处理单元，经***分析后获得A点的磁感应强度；通过测量待测磁性材料在不同温度下A点的磁感应强度，计算待测磁性材料的温度参数。本发明有益效果在于，能够利用磁共振***方便的测量磁性材料温度参数，并且节省成本。
Description
技术领域
本发明涉及物理科学，特别涉及核磁共振领域，具体的讲是测量磁性材料磁感应强度对温度变化特性的方法及装置。
背景技术
现有技术中测量磁材料的温度参数一般采用提拉法，即在设定温度下提拉测试线圈，被测样品放在测试线圈中石英管内，通过提拉测试线圈的方式检测出并记录下该磁样品在该温度下的磁性能。该测量装置的主要缺点是每次提拉测试线圈均为手工操作，而每个样品的测量精确度又取决于操作者每次手工提拉测量线圈的速度，如提拉速度误差较大，则测量精度偏差就较大，因此造成该测量装置的人为操作误差难以克服的缺点。再有该测量装置每次仅能测试一个磁体样品(由于人工提拉的限制)，采用该测量装置在检测中，对人力，物力和时间的浪费较严重。另外该检测装置还存在有设备易损坏，每次检测结果的重复性差等缺点。
中国实用新型专利申请号为“98241658.X”，申请日为1998年10月22日，发明名称为“永磁体的温度参数测量装置”，该申请公开了一种在磁屏蔽罩内台架上装有加热炉体，炉体内装有样品室和样品，炉体外套有冷却套，炉体盖有保温罩，台架上还装有探头支架和探头，探测头与磁强计、绘图仪是串联相接，热电偶与绘图仪相接。但是该装置结构比较复杂，需要特殊的装置对磁体样品进行温度参数的测量，成本比较高。
非晶合金等磁性材料一般在现有的磁共振成像(MRI)***中被用于实现均匀的背景磁场的目的。但是目前市场中的非晶合金等磁性材料的提供者一般都不提供其产品的温度参数，为了MRI***的磁体设计和估计该磁共振***的稳定性，获知相关磁性材料的温度参数是必需的。
对于一些生产制造MRI***的厂商来说，获得其产品永磁体或者铁磁性磁体温度参数是很重要的，但是为了获得磁体的温度参数而另外购进设备又会造成成本的提高，而且测量结果又不是很准确。
发明内容
为了解决以上问题，本发明的目的在于提供一种测量磁性材料磁感应强度对温度变化特性的方法及装置，利用现有的MRI***准确测量磁性材料的温度参数。
一种测量磁性材料磁感应强度对温度变化特性的方法，包括：
一探头置于磁共振***有效磁场范围内的任意一点A，测量该点磁共振信号并由磁共振***的处理单元计算该点背景磁感应强度B0；
将一待测磁性材料设置在所述A点，磁共振***的温度控制单元控制一加热单元对所述待测磁性材料进行加温，利用一温度传感器采集所述待测磁性材料的温度，并利用所述探头测量出磁共振信息，所述磁共振***的处理单元根据该信息计算出所述A点待测磁性材料在不同温度下对应的磁感应强度；
将上述每个磁感应强度减去所述背景磁感应强度B0，得到所述待测磁性材料在每个温度下其自身的磁感应强度，从而得到该待测磁性材料的磁感应强度对温度变化的特性。
所述探头由发射接收线圈和其中一样品探测球构成，由所述发射接收线圈向所述探测球发射射频脉冲序列，激发所述探测球产生磁共振信号，接收该信号并反馈回磁共振***的处理单元，由其计算出所述探测球处的磁感应强度。
所述样品探测球含氢元素或者碳元素。
所述磁共振***的温度控制单元控制所述加热单元和所述温度传感器的步骤包括：如果所述温度传感器采集的所述待测磁性材料的当前温度低于一预设温度，则该温度控制单元控制所述加热单元以额定功率向所述待测磁性材料加热；如果所述温度传感器采集的所述待测磁性材料的当前温度高于该预设温度，则该温度控制单元控制所述加热单元以比额定功率小的预先设定功率向所述待测磁性材料加热。
所述加热单元采用热传导方式、热辐射方式或其结合的方式向所述待测磁性材料加热。
一种测量磁性材料磁感应强度对温度变化特性的装置，包括：
在磁共振***有效磁场内放置待测磁性材料；
温度传感器，采集所述待测磁性材料的温度；
加热单元，对上述待测磁性材料进行加温；
温度控制单元，接收上述温度传感器的信号，并控制所述加热单元对所述待测磁性材料进行加热；
探头，探测所述有效磁场内某一点的磁感应强度；
磁共振***的处理单元，接收所述探头测量出的磁共振信号，并计算出该点的磁感应强度信息。
所述探头由发射接收线圈和其中一样品探测球构成，由所述发射接收线圈向所述探测球发射射频脉冲序列，激发所述探测球产生磁共振信号，所述发射接收线圈接收该信号，并反馈回上述磁共振***的处理单元，由其计算出所述探测球处的磁感应强度。
所述样品探测球含氢元素或者碳元素。
所述温度控制单元是指磁共振***的温度控制单元或者独立于所述磁共振***的温度控制单元。
所述待测磁性材料位于所述加热单元之上，所述探头位于所述待测磁性材料之上。
还包括一固定装置，用于承载所述加热单元以及所述待测磁性材料。
所述温度传感器与所述待测磁性材料紧密相连。
本发明的有益效果在于，利用现有的MRI***进行磁性材料温度参数的测量，节省成本，并且准确率更高。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明装置示意图；
图3为本发明探头的一种实施例示意图。
具体实施方式
下面，结合附图对于本发明进行如下详细说明。
如图1所示，为本发明方法流程图。
一探头置于磁共振***有效磁场范围内的任意一点A，测量该点磁共振信号并由磁共振***的处理单元计算该点背景磁感应强度B0。
该探头为一个中心是含氢元素小球f的线圈g，由于MRI***对人体组织的共振信号作了优化，所以该小球f优选的使用硅胶材料，类似于人体组织的物质，或者采用碳元素材料制作探测球，利用磁共振***对碳元素的测量特性获得该探测球处的磁共振信号；该探头被连入磁共振***，磁共振***的处理单元控制线圈g发出射频脉冲，该线圈g为一个现有MRI***中普通的发射接收线圈，该脉冲激发硅胶小球f产生磁共振信号，线圈g接收该信号并送入磁共振***分析出该信号的共振频率f0，并通过B0＝2πf0/γ(γ为氢元素的磁旋比，γ＝2.68x108rad/(s*T)，rad单位为弧度，s单位为秒，T单位为特斯拉)计算出A点当前的背景磁场的磁感应强度B0。
将一待测磁性材料设置在所述A点，磁共振***的温度控制单元控制一加热单元对所述待测磁性材料进行加温，利用一温度传感器采集所述待测磁性材料的温度，并利用所述探头测量出磁共振信息，所述磁共振***的处理单元根据该信息计算出所述A点待测磁性材料在不同温度下对应的磁感应强度。
将待测磁性材料，加热单元和一个非磁性重物(基座)固定在一起，将加热单元与待测磁性材料紧密相连利用热传导对该待测磁性材料加热，或者将加热单元与待测磁性材料空间相连，利用热辐射对待侧磁性材料加热；将温度传感器固定在待测磁性材料上，加热单元和温度传感器分别连到磁共振***的温度控制单元的电源输出口和温度采集口上。将待测磁性材料，加热单元和非磁性重物放入磁共振成像区域的A点，确保待测磁性材料尽量接近A点；当没有可用的磁共振***温度控制单元的接口，可以使用外加的温度控制单元，与加热单元和温度传感器相连接，通过一定的算法，比如比例积分微分(PID)控制，调节加热电流输出，从而控制加热单元的温度。
由温度控制单元控制所述加热单元将所述待测磁性材料加温至某一预设温度T，；
测得待测磁性材料在温度T1时A点的磁共振信号并计算该点磁感应强度B1；
将待测磁性材料加热至T2；
测得待测磁性材料在温度T2时A点的磁共振信号并计算该点磁感应强度B2；
将待测磁性材料加热至T3，T4…Tn，并分别测得在温度T3，T4…Tn时A点对应的磁共振信号并计算磁感应强度B3，B4…Bn。
将上述每个磁感应强度减去所述背景磁感应强度B0，得到所述待测磁性材料在每个温度下其自身的磁感应强度(不包括背景磁场的磁感应强度)，从而得到该待测磁性材料的磁感应强度对温度变化的特性。
绘制一温度T和A点磁感应强度B的曲线，因为A点与待测磁性材料非常接近，所以可以通过这条曲线得到这个铁磁性材料在背景磁场B0下随温度的变化数据。
当然，也可以先测量待测磁性材料在不同温度下的磁感应强度，再将该待测磁性材料从MRI有效磁场中取出，测量背景磁感应强度，然后计算该待测磁性材料其自身的磁感应强度，最后得到该待测磁性材料磁感应强度随温度变化的特性曲线。
如图2所示为本发明装置示意图。在现有的MRI***中，在MRI有效成像范围A点的正下方设置一固定装置b，该固定装置位于病床a上，用于固定待测的磁性材料e，在本例中为铁磁性材料；在该固定装置上设置一加热单元c，该加热单元优选结构简单的金属块，用于给待测的铁磁性材料加温，或维持温度，为了减小磁场的干扰，以使测量的温度参数更加准确，该加热金属块可以使用无磁性的金属材料，比如铝，加热单元与待测铁磁性材料紧密接触或者空间离开一定距离，这里不限制接触方式，可以上下形式的紧贴于待测材料，也可以是将待测材料置于加热单元中间，加热单元形成半包围的形式给待测材料加热，或者采用热辐射的方式给待测磁性材料加热，主要目的就是为了能够使热量、温度尽量少的损失；温度传感器d，与待测铁磁性材料紧密相连，用于实时返回待测材料的温度；温度控制单元，与温度传感器d和加热单元c相连接，用于接收温度传感器d的温度测量信息，控制加热单元c的加热，该温度控制单元可以使用现在MRI***中的温度控制单元，也可以使用MRI***外的外加温度控制单元；探头，包括发射接收线圈g和其内部的一个硅胶小球f(如图3所示)，该发射接收线圈与MRI***的局部线圈(local coil)接口相连接，在该线圈中心包围着一个硅胶小球f，通过线圈发射RF信号激发硅胶小球产生磁共振信号，然后用该线圈接收这个信号，并送到磁共振***中处理分析，可以计算出小球的共振频率，通过这个频率可以计算出硅胶小球范围内的平均磁场B，这个探头与待测磁性材料的测量点相接触，所以计算出该探头的磁感应强度B也就获得了该待测磁性材料的磁感应强度。因为很多磁性材料在磁场中激发产生的磁场空间均匀性较差，常用的磁场测量装置(比如高斯计)往往无法测量，因为高斯计的探头相对较大，对于磁场中某一点的磁感应强度测量不够准确，但本发明中的探头可以做得很小，在探头范围内磁场的均匀性可以相对较好，所以可以对磁场中的某一点进行准确测量。在现在的磁共振***上有一种用来测量磁场的装置叫做匀场线圈组(shimarray)，该匀场线圈组是多个探头均匀分布在一个圆弧或半圆弧上，同时测量多点磁场，主要是用于磁共振***均匀磁场的调试。本发明中只需采用一个探头，可直接取用匀场线圈中的一个探头，也可根据需要仿照匀场线圈组自制体积更小的线圈，因为测量到的磁场是硅胶小球体积内的磁场的平均值，当小球足够小的时候，就可以实现“点测量”。磁共振***处理单元是用来控制线圈的射频脉冲和信号采集(发射和接收)，这里是直接用磁共振***，只需要将探头(包着硅胶球的线圈)连接到磁共振***上原来连接局部线圈(local coil)的接头上就可以直接使用。
以上的待测磁体，加热单元，温度传感器和探头可以为一个或一个以上，可以同时测量多个磁体的温度参数。
温度传感器贴在待测磁性材料上，传感器的输出线连接到磁共振***的温度控制单元上，温度控制单元根据温度传感器测得的当前温度计算出合适的输出电压、电流输出到加热单元上。优选的温度控制单元进行以下步骤：它根据温度传感器测量的待测磁性材料当前温度和设置的一预定温度，计算出目前最合适的电流输出到加热单元上，比如目前的温度还没有到达预定温度(例如10摄氏度)，会输出额定功率用于加热，如果样品目前的温度已经高于预定温度(例如10摄氏度)，就需要减小输出功率，比如为额定功率的10％，来防止过冲(温度超出目标温度很多)。当温度在目标温度已经比较稳定的时候，就需要动态的随时改变输出电流，使加热单元加热的热量和待测磁性材料因为和环境温度差异损失的热量相等来维持温度稳定在目标温度上。
在所有的永磁磁共振***上都有温度控制单元，主要是为了控制***在运行过程中的温度，当温度超出规定值时会对磁体产生影响。只需要另外加一个温度传感器和加热单元到待测磁性材料上，另一端连到磁共振***的温度控制单元上，就可以直接控制温度。如果磁共振***的温度控制单元输出通道已经全部用完，也可以外接一个同样的温度控制单元，对待测磁性材料的温度进行控制，以测量该磁性材料温度与磁感应强度的关系。
本发明的有益效果在于，能够通过MRI***方便、准确地获得铁磁性材料温度参数，提供了MRI***另一种用途，并且本发明及装置简单、成本低廉。
以上具体实施方式仅用于说明本发明，而非用于限定本发明。
Claims (12)
1.一种测量磁性材料磁感应强度对温度变化特性的方法，其特征在于包括：
一探头置于磁共振***有效磁场范围内的任意一点A，测量该点磁共振信号并由磁共振***的处理单元计算该点背景磁感应强度B0；
将一待测磁性材料设置在所述A点，磁共振***的温度控制单元控制一加热单元对所述待测磁性材料进行加温，利用一温度传感器采集所述待测磁性材料的温度，并利用所述探头测量出磁共振信息，所述磁共振***的处理单元根据该信息计算出置于所述A点的待测磁性材料在不同温度下对应的磁感应强度；
将上述每个磁感应强度减去所述背景磁感应强度B0，得到所述待测磁性材料在每个温度下其自身的磁感应强度，从而得到该待测磁性材料的磁感应强度对温度变化的特性。
2.根据权利要求1所述的一种测量磁性材料磁感应强度对温度变化特性的方法，其特征在于所述探头由发射接收线圈和其中一样品探测球构成，由所述发射接收线圈向所述探测球发射射频脉冲序列，激发所述探测球产生磁共振信号，接收该信号并反馈回磁共振***的处理单元，由其计算出所述探测球处的磁感应强度。
3.根据权利要求2所述的一种测量磁性材料磁感应强度对温度变化特性的方法，其特征在于所述样品探测球含氢元素或者碳元素。
4.根据权利要求1所述的一种测量磁性材料磁感应强度对温度变化特性的方法，其特征在于所述磁共振***的温度控制单元控制所述加热单元和所述温度传感器的步骤包括：如果所述温度传感器采集的所述待测磁性材料的当前温度低于一预设温度，则该温度控制单元控制所述加热单元以额定功率向所述待测磁性材料加热；如果所述温度传感器采集的所述待测磁性材料的当前温度高于该预设温度，则该温度控制单元控制所述加热单元以比额定功率小的预先设定功率向所述待测磁性材料加热。
5.根据权利要求1所述的一种测量磁性材料磁感应强度对温度变化特性的方法，其特征在于所述加热单元采用热传导方式、热辐射方式或其结合的方式向所述待测磁性材料加热。
6.一种测量磁性材料磁感应强度对温度变化特性的装置，其特征在于包括：
在磁共振***有效磁场内任意一点A放置的待测磁性材料；
温度传感器，采集所述待测磁性材料的温度；
加热单元，对上述待测磁性材料进行加温；
温度控制单元，接收上述温度传感器的信号，并控制所述加热单元对所述待测磁性材料进行加热；
探头，探测所述A点的磁共振信号；
磁共振***的处理单元，接收所述探头测量出的磁共振信号，并计算出该点的磁感应强度。
7.根据权利要求6所述的一种测量磁性材料磁感应强度对温度变化特性的装置，其特征在于所述探头由发射接收线圈和其中一样品探测球构成，由所述发射接收线圈向所述探测球发射射频脉冲序列，激发所述探测球产生磁共振信号，所述发射接收线圈接收该信号，并反馈回上述磁共振***的处理单元，由其计算出所述探测球处的磁感应强度。
8.根据权利要求7所述的一种测量磁性材料磁感应强度对温度变化特性的装置，其特征在于所述样品探测球含氢元素或者碳元素。
9.根据权利要求6所述的一种测量磁性材料磁感应强度对温度变化特性的装置，其特征在于所述温度控制单元是指磁共振***的温度控制单元或者独立于所述磁共振***的温度控制单元。
10.根据权利要求6所述的一种测量磁性材料磁感应强度对温度变化特性的装置，其特征在于所述待测磁性材料位于所述加热单元之上，所述探头位于所述待测磁性材料之上。
11.根据权利要求6所述的一种测量磁性材料磁感应强度对温度变化特性的装置，其特征在于还包括一固定装置，用于承载所述加热单元以及所述待测磁性材料。
12.根据权利要求6所述的一种测量磁性材料磁感应强度对温度变化特性的装置，其特征在于所述温度传感器与所述待测磁性材料紧密相连。
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