CN107464653A - 一种具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构，包括外环磁体(1)和内环磁体(2)，外环磁体(1)套设于内环磁体(2)外。该具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构的外环磁体和内环磁体在探头内部产生同样的均匀磁场分布。在进行核磁共振测量时，外环磁体和内环磁体的静磁场相互叠加后，等于设计所需的磁场强度；在测量结束或需要临时“关闭”静磁场时，外环磁体在电机的带动下旋转180度，此时内外环磁体产生的磁场强度相同，但方向相反，从而相互抵消，此时进入磁场内部的样品将不再被磁化。
Description
技术领域
本发明涉及低场核磁共振设备领域，具体的是一种具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构。
背景技术
核磁共振测量技术和应用方法的创新以仪器研发为依托。近年来，新的低场核磁共振探头磁体新结构不断涌现，不同于医学高场MRI(磁共振成像)以超导线圈提供产生核磁共振现象所必须的静磁场，低场核磁共振探头均以永磁体材料作为静磁场来源。相比于医学MRI，基于永磁体材料发展起来的低场核磁共振仪器体积更小、价格便宜，但其磁体材料特性也决定了其不能像MRI那样控制磁场何时产生和消失，即不具备磁场的“开关”特性。这导致低场核磁共振仪器平时在摆放时要特别小心，防止金属物质靠近。此外，在一些特殊的使用环境中，期望静磁场能暂时消失，例如在线 /运动测量时，当被测样品包含顺磁性金属段或存在某些不能放置于磁场中的电子元器件时，在该段通过探头的这段时间内，就要求探头不能发射静磁场。
发明内容
为了使低场核磁共振设备具有开关功能，本发明提供了一种具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构，该具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构的外环磁体和内环磁体在探头内部产生同样的均匀磁场分布。在进行核磁共振测量时，外环磁体和内环磁体的静磁场相互叠加后，等于设计所需的磁场强度；在测量结束或需要临时“关闭”静磁场时，外环磁体在电机的带动下旋转180度，此时内外环磁体产生的磁场强度相同，但方向相反，从而相互抵消，此时进入磁场内部的样品将不再被磁化。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构，包括外环磁体和内环磁体，外环磁体和内环磁体均呈筒形结构，外环磁体套设于内环磁体外，外环磁体能够相对于内环磁体自转，在内环磁体的内表面围成的柱状结构内，当该低场核磁共振探头磁体结构处于测量状态时，外环磁体和内环磁体能够在任意一个点的磁感应强度均相同，当外环磁体相对于内环磁体自转180°时，外环磁体和内环磁体在该点的磁感应强度的叠加为0B。
外环磁体和内环磁体均为圆筒形结构，外环磁体的中心线和内环磁体的中心线重合。
沿外环磁体的中心线方向，外环磁体的长度和内环磁体的长度相同，外环磁体的两端和内环磁体的两端对应平齐。
外环磁体的中心线和内环磁体的中心线重合，沿外环磁体的周向，外环磁体含有均匀间隔排列的多个外棱柱，每个外棱柱的中心线均与外环磁体的中心线平行，每个外棱柱的中心线到外环磁体中心线的距离均相等。
外棱柱的断面为正八边形。
沿内环磁体的周向，内环磁体含有均匀间隔排列的多个内棱柱，每个内棱柱的中心线均与内环磁体的中心线平行，每个内棱柱的中心线到内环磁体中心线的距离均相等。
内棱柱的断面为正八边形，内棱柱的断面面积小于外棱柱的断面面积。
外环磁体和内环磁体均为Halbach磁体。
该具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构还含有用于驱动外环磁体或内环磁体自转的驱动部件。
该具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构还含有用于支撑外环磁体和内环磁体的支架。
本发明的有益效果是：该具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构的外环磁体和内环磁体在探头内部产生同样的均匀磁场分布。在进行核磁共振测量时，外环磁体和内环磁体的静磁场相互叠加后，等于设计所需的磁场强度；在测量结束或需要临时“关闭”静磁场时，外环磁体在电机的带动下旋转180度，此时内外环磁体产生的磁场强度相同，但方向相反，从而相互抵消，此时进入磁场内部的样品将不再被磁化。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明所述具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构的外环磁体和内环磁体均为双环环型磁体结构并且在测量状态时的示意图。
图2是本发明所述具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构的外环磁体和内环磁体均为双环环型磁体结构并且在关闭状态时的示意图。
图3是本发明所述具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构的立体状态示意图。
图4是本发明所述具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构的外环磁体和内环磁体均为Halbach磁体结构并且在测量状态时的示意图。
图5是本发明所述具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构的外环磁体和内环磁体均为Halbach磁体结构并且在关闭状态时的示意图。
图6是双环环型磁体结构或Halbach磁体结构为棱柱时的示意图。
1、外环磁体；
2、内环磁体；
3、外棱柱；
4、内棱柱；
5、电机；
6、磁场方向。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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。
一种具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构，包括外环磁体1和内环磁体2，外环磁体1和内环磁体2均呈筒形结构，外环磁体1套设于内环磁体2外，外环磁体1能够相对于内环磁体2自转，在内环磁体2的内表面围成的柱状结构内，当该低场核磁共振探头磁体结构处于测量状态时，外环磁体1和内环磁体2能够在任意一个点(如图1和图4中的A点)的磁感应强度均相同，即外环磁体1和内环磁体2 能够在任意一个点的磁场的大小和方向均相同，如外环磁体1和内环磁体2在该点的磁感应强度均为x1B，外环磁体1和内环磁体2在该点的磁感应强度的叠加为2x1B，当外环磁体1相对于内环磁体2自转180°时，外环磁体1和内环磁体2在该点的磁场的大小相同但方向相反，这样外环磁体1和内环磁体2在该点的磁感应强度的叠加为0B，如图1至图5所示。
具体的，外环磁体1和内环磁体2在探头内部产生同样的均匀分布的磁场。在进行核磁共振测量时，如图1和图4所示，外环磁体1和内环磁体2的静磁场相互叠加后，等于设计所需的磁场强度，即上述2x1B等于需的磁感应强度；在测量结束或需要临时“关闭”静磁场时，外环磁体1在驱动部件(如电机5)的带动下旋转180度，此时内外环磁体产生的磁场强度相同，但方向相反，从而相互抵消，此时进入磁场内部的样品将不再被磁化。
现有技术中，低场核磁共振仪器探头均以铁磁性材料(钕铁硼、钐钴、铁氧体等)来发射静磁场。为了提高核磁共振信号的信噪比，这一静磁场通常是均匀磁场，以测量弛豫时间(纵向弛豫时间T1，横向弛豫时间T2)为主；有时为了得到一些特殊参数 (如扩散系数D)，也会通过磁体结构的设计在探头探测区域内施加均匀梯度磁场。应对不同的探测对象，往往需要设计不同的磁场强度，例如测量孔隙介质通常选用2 MHz的磁场，以减小内部梯度场的同时获得最佳的信噪比；而测量流体样品时通常选用较高的磁场强度，以提高信号强度。但不论采用哪种磁体结构，以及施加哪种静磁场，所用到的铁磁材料均根据设计事先充磁至设定磁场强度，且一旦充磁完毕，磁体将永远保持这一充磁强度。这使得低场核磁共振探头的磁体不具静磁场“开关”功能，即无论是否处于测量状态，静磁场始终存在。
目前，室内常用的采用内发式均匀磁场的低场核磁共振探头磁体结构主要有三种：C型磁体(又称双极板磁体、U型磁体)结构，环形磁体结构，Halbach磁体结构。C型磁体结构采用2块板状磁体在其内部形成均匀磁场，结构简单易于加工和安装，但是探头体积较大，暂时没有很好的方法对其磁场进行有效的“开关控制。”环形磁体结构和Halbach(海尔贝克)磁体结构相比C型磁体结构而言体积缩小很多，探头敏感区域更大，所以应用的更为广泛。本发明针对环形磁体结构和Halbach磁体结构，提出具有磁场“开关”功能的新型双环磁体结构。即外环磁体1和内环磁体2 均为上述现有的环形磁体结构，或者，外环磁体1和内环磁体2均为上述现有的 Halbach磁体结构。
在本实施例中，外环磁体1和内环磁体2均可以为双环环型磁体结构，如图1 至图3所示，外环磁体1和内环磁体2均为标准的圆筒形结构，外环磁体1的中心线和内环磁体2的中心线重合。沿外环磁体1的中心线方向，外环磁体1的长度和内环磁体2的长度相同，外环磁体1的两端和内环磁体2的两端对应平齐。外环磁体1 能够自转，即外环磁体1能够以外环磁体1的中心线为轴线转动，内环磁体2不能转动。
通过磁场的有限元模拟，外环磁体1和内环磁体2在分离时均可在磁体内部任意一点产生相同的静磁场分布x1B，二者同向嵌套时，静磁场叠加为2x1B，如图1所示， 2x1B等于设计所需的磁场强度。此时双环磁体(外环磁体1和内环磁体2)的作用和传统单环磁体的作用相同，即为核磁共振现象的产生提供均匀静磁场。当需要“关闭”静磁场时，电机5带动外环磁体1旋转180度，使外环磁体1和内环磁体2产生的静磁场强度相同但方向相反，从而抵消掉内部静磁场，如图2所示，即此时外环磁体1 和内环磁体2在该点的磁感应强度的叠加为0B。同理，需要再度“开启”静磁场时，只需步进电机5带动外环磁体1再旋转180度，就可再度在磁体内部产生磁场强度为 2x1B的均匀静磁场。
在本实施例中，外环磁体1和内环磁体2均可以是圆筒形的Halbach磁体结构。与环形磁体不同的是，Halbach磁体结构由充磁方向各不相同的许多小磁块组成，且其外部零漏磁设计使它的应用范围较环形磁体更广。双环Halbach磁体结构的静磁场“开关”的技术效果和工作过程与环形磁体结构的完全相同，同样是有电机5拖动外环磁体1旋转来实现内部磁场的“开关”，本发明不再详细介绍。
在本实施例中，外环磁体1和内环磁体2的结构还可以如图6所示，外环磁体1 和内环磁体2均为Halbach磁体结构，外环磁体1的中心线和内环磁体2的中心线重合，沿外环磁体1的周向，外环磁体1含有均匀间隔排列的多个外棱柱3，每个外棱柱3的中心线均与外环磁体1的中心线平行，每个外棱柱3的中心线到外环磁体1 中心线的距离均相等。外棱柱3的断面为正八边形。沿内环磁体2的周向，内环磁体 2含有均匀间隔排列的多个内棱柱4，每个内棱柱4的中心线均与内环磁体2的中心线平行，每个内棱柱4的中心线到内环磁体2中心线的距离均相等。内棱柱4的断面为正八边形，内棱柱4的断面面积小于外棱柱3的断面面积。内棱柱4的数量与外棱柱3的数量相同。
另外，该具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构还含有用于支撑外环磁体1和内环磁体2的支架。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。
Claims (10)
1.一种具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构，其特征在于，所述具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构包括外环磁体(1)和内环磁体(2)，外环磁体(1)和内环磁体(2)均呈筒形结构，外环磁体(1)套设于内环磁体(2)外，外环磁体(1)能够相对于内环磁体(2)自转，在内环磁体(2)的内表面围成的柱状结构内，当该低场核磁共振探头磁体结构处于测量状态时，外环磁体(1)和内环磁体(2)能够在任意一个点的磁感应强度均相同，当外环磁体(1)相对于内环磁体(2)自转180°时，外环磁体(1)和内环磁体(2)在该点的磁感应强度的叠加为0B。
2.根据权利要求1所述的具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构，其特征在于，外环磁体(1)和内环磁体(2)均为圆筒形结构，外环磁体(1)的中心线和内环磁体(2)的中心线重合。
3.根据权利要求2所述的具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构，其特征在于，沿外环磁体(1)的中心线方向，外环磁体(1)的长度和内环磁体(2)的长度相同，外环磁体(1)的两端和内环磁体(2)的两端对应平齐。
4.根据权利要求1所述的具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构，其特征在于，外环磁体(1)的中心线和内环磁体(2)的中心线重合，沿外环磁体(1)的周向，外环磁体(1)含有均匀间隔排列的多个外棱柱(3)，每个外棱柱(3)的中心线均与外环磁体(1)的中心线平行，每个外棱柱(3)的中心线到外环磁体(1)中心线的距离均相等。
5.根据权利要求4所述的具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构，其特征在于，外棱柱(3)的断面为正八边形。
6.根据权利要求4所述的具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构，其特征在于，沿内环磁体(2)的周向，内环磁体(2)含有均匀间隔排列的多个内棱柱(4)，每个内棱柱(4)的中心线均与内环磁体(2)的中心线平行，每个内棱柱(4)的中心线到内环磁体(2)中心线的距离均相等。
7.根据权利要求6所述的具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构，其特征在于，内棱柱(4)的断面为正八边形，内棱柱(4)的断面面积小于外棱柱(3)的断面面积。
8.根据权利要求1所述的具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构，其特征在于，外环磁体(1)和内环磁体(2)均为Halbach磁体。
9.根据权利要求1所述的具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构，其特征在于，该具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构还含有用于驱动外环磁体(1)或内环磁体(2)自转的驱动部件。
10.根据权利要求1所述的具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构，其特征在于，该具备磁场开关功能的低场核磁共振探头磁体结构还含有用于支撑外环磁体(1)和内环磁体(2)的支架。
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