СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОДНОРОДНОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В РАБОЧЕЙ ОБЛАСТИ ЯВНОПОЛЮСНОГО МАГНИТОРЕЗОНАНСНОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2025 года по МПК G01R33/3873 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к способам формирования магнитного поля в явнополюсных магнитах, применяемых в магниторезонансных устройствах – спектрометрах, спектрографах, томографах и других.

Уровень техники

Для магниторезонансных (МР) спектрометров и томографов (далее – МР устройств), использующих явление ядерного магнитного резонанса, требуются источники магнитного поля, обеспечивающие с высокой точностью постоянство вектора магнитной индукции в рабочей области устройства, т.е. обеспечивающие высокую однородность магнитного поля.

Для небольших мобильных томографов с низким полем в области сканирования (низкопольных томографов) в качестве источников применяются явнополюсные магниты, полюса которых состоят из постоянного магнита и полюсного наконечника из магнитомягкой стали. Обратный магнитный поток замыкается через ферромагнитное ярмо-магнитопровод. (Yilong Liu et.al., A low-cost and shielding-free ultra-low-field brain MRI scanner, Nature communication, 2021, 12:7238).

Как правило, однородность магнитного поля обеспечивается сложной процедурой магнитного шиммирования, в ходе которой вокруг магнитов размещаются шимы – дополнительные вставки из магнитной стали. Размеры и положение шимов для каждого устройства подбираются индивидуально по результатам измерений магнитного поля.

Из патента RU2759083 известен способ шиммирования магнитного томографа, в соответствии с которым для обеспечения однородности магнитного поля используются пластины с прорезями. Согласно способу в место расположения компенсирующих вставок (шимов) вставляются пластины без прорезей, измеряется магнитное поле и далее пластины извлекаются и в них, согласно расчетам, делаются прорези. Далее пластины вставляются в томограф снова и процесс итерационно повторяется до того момента, пока магнитное поле не станет обладать необходимой степенью однородности.

Описанный способ обладает значительной трудоемкостью ввиду того, что шиммирующие элементы требуется многократно извлекать из томографа и вставлять обратно. Кроме того, существует риск необратимой излишней модификации пластины, при которой прорезь может быть сделана избыточно большой, из-за чего потребуется замена пластины с последующим повтором итерационного процесса доработки пластины для обеспечения необходимой однородности магнитного поля.

Раскрытие изобретения

Задачей настоящего изобретения является снижение трудоемкости процесса обеспечения однородности магнитного поля в рабочей области (области сканирования) томографа или спектрометра.

Задача решается с помощью способа обеспечения однородности магнитного поля в рабочей области явнополюсного магниторезонансного устройства (например, томографа или спектрометра), содержащего следующие шаги. Во-первых, определяют конфигурацию устройства и магнитные свойства материалов, используемых в нем. Во-вторых, моделируют магнитное поле, создаваемое внутри устройства в его рабочей области. В-третьих, с помощью моделирования определяют форму наконечника магнитного полюса (полюсного наконечника), при которой в рабочей области обеспечивается магнитное поле с заданной степенью однородности (без учета возможных дефектов изготовления, изменений свойств материалов и влияния магнитопровода). В-четвертых, изготавливают полюсный наконечник с расчетной формой, устанавливают его на магнит в устройстве и измеряют его магнитное поле в устройстве. В-пятых, если однородность измеренного магнитного поля отличается от требуемой, определяют параметры шимов для исправления неоднородности. В-шестых, изготавливают шимы с определенными параметрами и размещают около магнита в устройстве. В-седьмых, измеряют магнитное поле в рабочей области устройства. При необходимости шаги 5-7 могут повторяться, то есть, если однородность измеренного магнитного поля отличается от требуемой, определяют параметры шимов (которые могут быть дополнительными к ранее установленным шимам) для исправления неоднородности, изготавливают их и размещают около магнита устройства, после чего снова проводят измерения магнитного поля.

Рабочая область устройства, в которой обеспечивают однородность магнитного поля, преимущественно находится между парой магнитов (магнитных полюсов). Полюсные наконечники преимущественно размещаются на постоянных магнитах в пространстве между ними (т.е. в области между магнитами), а шимы преимущественно устанавливают около магнитов с боков от наконечников. В предпочтительном варианте моделирование выполняют на компьютере как решение некорректной обратной задачи магнитостатики (см., например, А.Н. Тихонов, В.Я. Арсенин, Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1986). Конфигурация устройства преимущественно содержит данные о расположении ферромагнитных (например, стальных) элементов и постоянных магнитов. Магнитные свойства материалов предпочтительно содержат данные о величине магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами, и кривых намагничивания ферромагнитных элементов устройства. Конфигурацию наконечника предпочтительно определяют исходя из условия, что обратный магнитных поток замыкается в бесконечности. Полюсный наконечник может иметь форму круга, а шимы могут иметь кольцеобразную форму.

Техническим результатом изобретения является снижение трудоемкости процесса настройки устройства, т.е. обеспечения однородности магнитного поля в рабочей области томографа или спектрометра. Снижение трудоемкости обеспечивается за счет предварительного моделирования полюсного наконечника, который затем не требуется извлекать из устройства и дорабатывать, поскольку коррекция магнитного поля в устройстве, необходимая для обеспечения достаточной однородности, может быть выполнена с помощью дополнительных шимов, располагаемых вокруг установленного полюсного наконечник. Поскольку в ходе обеспечения однородности магнитного поля требуется устанавливать только шимы, дополнительные к полюсному наконечнику, а не сам наконечник, то трудоемкость снижается ввиду меньшего веса шимов по сравнению с наконечником, а также упрощения монтажа элементов. Т.к. шимы накладываются вне полюсного наконечника (сбоку или с внешней стороны постоянного магнита) и наконечник не требуется повторно переустанавливать, то снижается трудоемкость работ по настройке установки.

Поскольку магнитное поле моделируется с использованием данных о конфигурации устройства, то форму полюсного наконечника для однотипных устройств можно рассчитать один раз, а шимы, обеспечивающие требуемую однородность магнитного поля, будут необходимы только для настройки установки. Это дополнительно снижает число операций процесса обеспечения однородности магнитного поля, что приводит к еще большему снижению трудоемкости.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана условная конструкция источника магнитного поля.

На фиг. 2 показано вертикальное сечение одного из полюсов с полюсным наконечником сложного профиля и линиями магнитной индукции.

Осуществление изобретения

Далее изобретение описано более детально по отношению к фигурам. На фиг. 1 показана условная конструкция источника магнитного поля явнополюсного магниторезонансного устройства, например, томографа или спектрометра. Эти устройства также могут называться явнополюсными низкопольными магниторезонансными устройствами. Источник обычно имеет корпус 1, в котором или около которого размещаются постоянные магниты 2, необходимые для формирования магнитного поля в рабочей области 3 внутри корпуса 1. Между постоянным магнитом 2 и рабочей областью размещается полюсной наконечник 4, выполненный, например, с использованием магнитомягкой стали и играющий роль концентратора магнитного потока. Поскольку в рабочей области 3 происходит сканирование размещенного в нем объекта исследования (например, человека), к магнитному полю в этой области предъявляются весьма жесткие требования по стабильности и пространственной однородности для обеспечения необходимой точности получаемых изображений.

Для получения однородного поля постоянные магниты или сборки постоянных магнитов, преимущественно имеют осевую симметрию, например, могут быть кольцеобразными, круглыми или дискообразными. Кроме того, для повышения первоначальной однородности магнитного поля в области сканирования 3, форма полюсных наконечников 4 предварительно моделируется исходя из упрощенных предположений об (1) отсутствии дефектов изготовления, (2) точном соответствии свойств постоянных магнитов и ферромагнитных материалов их справочным значениям и (3) отсутствии влияния ферромагнитного ярма в рабочей области (замыкании обратного магнитного потока на бесконечности). Рабочая область находится между магнитами. Помимо полюсных наконечников 4 около постоянных магнитов 2 также могут размещаться дополнительные элементы 5, корректирующие магнитное поле, преимущественно выполненные с использованием ферромагнитных материалов и обычно называемые шимами (от англ. shim – прокладка, вкладыш).

В соответствии с настоящим способом конфигурация (форма) полюсного наконечника 4 определяется следующим образом. Во-первых, определяют конфигурацию томографа или спектрометра и магнитные свойства материалов, используемых в нем. Конфигурация томографа или спектрометра преимущественно содержит данные о расположении ферромагнитных (например, стальных) элементов корпуса 1 и других элементов, а также о расположении постоянных магнитов 2. Магнитные свойства материалов предпочтительно содержат данные о величине магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами, кривых намагничивания ферромагнитных элементов и/или магнитной проницаемости остальных элементов томографа.

Во-вторых, моделируют магнитное поле, создаваемое в рабочей области томографа или спектрометра. В предпочтительном варианте моделирование выполняют на компьютере, например, как решение некорректной обратной задачи магнитостатики или любыми другими, известными из уровня техники. В программе, в которой осуществляется моделирование, задается расположение конструктивных элементов томографа или спектрометра с указанием их магнитных свойств и осуществляется расчет магнитного поля, создаваемого в томографе или спектрометре, в том числе в области сканирования, и определяется его неоднородность.

В-третьих, с помощью моделирования определяют форму (конфигурацию) полюсного наконечника, при которой в томографе или спектрометре обеспечивается магнитное поле с заданной степенью однородности. Для этого в программе дополнительно около постоянных магнитов или магнитных систем размещают полюсный наконечник исходной конфигурации (формы и магнитных свойств) и далее решают оптимизационную задачу по обеспечению магнитного поля в области сканирования требуемой однородности, в ходе которой подбирают такую форму полюсного наконечника и такие его магнитные свойства, при которых в области сканирования будет получено магнитное поле с требуемыми свойствами. Оптимизационная задача может решаться любыми известными из уровня техники способами и системами, например, системами автоматического проектирования (САПР). Конфигурацию полюсного наконечника предпочтительно определяют исходя из условия, что обратный магнитных поток замыкается в бесконечности.

В-четвертых, изготавливают полюсный наконечник, например, с использованием ферромагнитного материала, предпочтительно стали, с определенной (оптимизированной, промоделированной, вычисленной) конфигурацией (формой) и размещают на магните в томографе или спектрометре, преимущественно в пространстве между магнитами. Поскольку постоянные магниты обычно имеют симметрию и предпочтительно являются круглыми, то и полюсные наконечники преимущественно являются симметричными и могут иметь форму круга или диска с заданной формой поверхности, обращенной к области сканирования. Пример полюсного наконечника в разрезе по вертикальному диаметру показан на фиг. 2, где справа от наконечника полукругом обозначена область сканирования, в которой требуется обеспечить заданную однородность магнитного поля. Другая сторона наконечника, обращенная к постоянным магнитам или магнитной системе, может иметь форму, обеспечивающую требуемое прилегание к постоянными магнитам или зазор до них, что учитывается при моделировании и определении конфигурации наконечника в качестве исходного или расчетного условия.

В-пятых, производят настройку устройства, т.е. измеряют магнитное поле в рабочей области датчиками магнитного поля и, если его однородность отличается от требуемой, определяют параметры шимов для исправления неоднородности. Параметры шимов могут включать в себя кривые намагничивания и/или магнитную проницаемость, форму, размеры, расположение, материал и другие факторы, влияющие на магнитное поле в шиме и около него. Форма, положение шимов и остальные параметры могут определяться, например, математическим моделированием результатов измерений, например, как решение некорректной обратной задачи магнитостатики.

Далее изготавливают шимы (или один шим, если его будет достаточно) с определенными параметрами и полюсный наконечник 4 дополняют шимами 5 с боков полюса или на внешней стороне постоянных магнитов, т.е. около магнитов. После этого измеряют магнитное поле в рабочей области томографа или спектрометре также, как и после установки полюсного наконечника или другими способами.

Операции измерения магнитного поля в рабочей области и изменения формы, положения и количества шимов (в том числе, размещения дополнительных шимов) могут повторяться, обеспечивая итерационность процесса формирования магнитного поля в томографе или спектрометре с требуемой однородностью.

В указанном итерационном процессе отсутствует операция извлечения и доработки полюсных наконечников, поскольку отрегулировать магнитное поле можно простым изменением (дополнением, удалением, доработкой, заменой) шимов в ходе итерационного процесса, расположенных вне труднодоступной области между полюсами. Это будет снижать трудоемкость получения требуемой однородности магнитного поля.

Снижение трудоемкости обеспечивается за счет того, что полюсной наконечник, устанавливаемый около постоянного магнита или сборки постоянных магнитов, предварительно отмоделирован и уже сам по себе обеспечивает высокую степень однородности магнитного поля. Например, с помощью полюсного наконечника, показанного на фиг. 2 и полученного в ходе моделирования, может быть сразу получена неоднородность магнитного поля не более 0,2-0,3%. Чтобы получить такую неоднородность поля методами из уровня техники, потребуется множество итераций и доработок наконечника, которые исключаются в соответствии с настоящим способом.

Для получения более низкой неоднородности магнитного поля, например, 0,02% и менее, в зависимости от искажений поля в рабочей области, полученных в ходе сборки томографа или спектрометра или изготовления его деталей, потребуется несколько итераций с размещением дополнительных шимов вокруг полюсного наконечника. Поскольку в уровне техники такое повышение однородности магнитного поля также потребует несколько итераций, то эта часть настройки магнитной системы томографа или спектрометра имеет одинаковые вклады в трудоемкость как для технологии из уровня техники, так и процесса в соответствии с настоящим изобретением.

Таким образом, благодаря использованию полюсного наконечника, который имеет оптимизированную конфигурацию наконечника и изначально обеспечивает высокую степень однородности магнитного поля, и который не требуется извлекать из томографа или спектрометра и дорабатывать путем выполнения в нем прорезей или отрезания частей, настоящее изобретение снижает трудоемкость процесса обеспечения однородности магнитного поля в томографах и спектрометрах в несколько раз, поскольку исключается множественные повторы операций извлечения, доработки, установки полюсного наконечника и/или шимов на его поверхности.

Кроме того, трудоемкость снижается также благодаря тому, что при последующей подгонке требуется перемещать только шимы 5 с весом меньше веса полюса 4, а также благодаря упрощению монтажа элементов 5 ввиду их меньшей массы и площади поверхности.

Необходимо учитывать, что форма полюсного наконечника определяется для заданной конфигурации томографа или спектрометра. Это значит, что конфигурацию полюсного наконечника для томографа или спектрометра одной и той же конструкции можно рассчитать один раз и серийный полюс может изготавливаться сразу с наконечником. Ферромагнитные шимы, обеспечивающие требуемую однородность магнитного поля в рабочей области, будут необходимы только для компенсации отклонений конструкции собранного томографа или спектрометра от спроектированной. Это дополнительно снижает число операций процесса обеспечения однородности магнитного поля, что приводит к еще большему снижению трудоемкости.

Изобретение относится к области формирования магнитного поля в явнополюсных магнитных системах. Сущность изобретения заключается в том, что определяют конфигурацию устройства и магнитные свойства материалов, используемых в нем; моделируют магнитное поле, создаваемое внутри устройства; с помощью моделирования определяют форму «идеального» наконечника ферромагнитного полюса, при которой в устройстве обеспечивается магнитное поле с заданной степенью однородности; изготавливают полюс с расчетной формой наконечника и размещают в устройстве; измеряют магнитное поле в устройстве и, если его однородность отличается от требуемой, дополняют ферромагнитными вставками (шимами) вокруг полюса. Технический результат – снижение трудоемкости процесса обеспечения однородности магнитного поля. 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ обеспечения однородности магнитного поля в рабочей области явнополюсного магниторезонансного устройства, включающий в себя следующие шаги:

определяют конфигурацию устройства и магнитные свойства материалов, используемых в нем;

моделируют магнитное поле, создаваемое в рабочей области устройства;

с помощью моделирования определяют форму полюсного наконечника, при которой в устройстве обеспечивается магнитное поле с заданной степенью однородности;

изготавливают полюсный наконечник с расчетной формой и устанавливают на магнит в устройстве;

измеряют магнитное поле в устройстве и,

если его однородность отличается от требуемой, определяют параметры шимов для исправления неоднородности, изготавливают шимы с определенными параметрами и размещают около магнита в устройстве, после чего измеряют магнитное поле в рабочей области устройства.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что повторяют шаги определения параметров шимов, их изготовления и размещения около магнита с последующим измерением магнитного поля в рабочей области устройства, если однородность измеренного магнитного поля отличается от требуемой.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что рабочая область устройства, в которой обеспечивают однородность магнитного поля, находится между парой магнитов.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что полюсные наконечники устанавливают на магнитах в пространстве между магнитами.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шимы устанавливают около магнитов с боков от наконечников.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что конфигурация устройства включает в себя данные о расположении ферромагнитных элементов и постоянных магнитов.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что магнитные свойства материалов включают в себя данные о величине магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами, и кривых намагничивания ферромагнитных элементов устройства.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что конфигурацию наконечника определяют, исходя из условия, что обратный магнитный поток замыкается в бесконечности.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полюсный наконечник имеет форму круга.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шимы имеют кольцеобразную форму.