СПОСОБ ТЕРМОКОМПЕНСАЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В РАБОЧЕЙ ОБЛАСТИ ЯВНОПОЛЮСНОГО МАГНИТОРЕЗОНАНСНОГО УСТРОЙСТВА Российский патент 2025 года по МПК G01R33/381 G01R33/389 H01F3/12 G12B7/00 

Область техники, к которой относится изобретение

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 стабильность 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.

Недостатком описанного томографа является температурная нестабильность магнитного поля. Из-за сильного магнитного поля металлические элементы томографа нагреваются и меняют свои свойства. Вследствие этого изменяется магнитное поле в томографе, что приводит к ухудшению результатов томографии, в том числе снижению разрешающей способности и искажению получаемых изображений.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения заключается в повышении температурной стабильности магнитного поля в рабочей области явнополюсного магниторезонансного устройства.

Задача изобретения решается с помощью способа термокомпенсации магнитного поля в рабочей области явнополюсного магниторезонансного устройства. Способ включает 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 и термомагнитные свойства шунта, при которой обеспечивается магнитное поле с заданной степенью температурной стабильности; изготавливают шунт с расчетной формой и устанавливают около магнита в устройстве; измеряют магнитное поле в устройстве при разных температурах и если его стабильность отличается от требуемой, определяют параметры корректировки шунта для исправления температурной нестабильности, корректируют шунт и размещают около магнита в устройстве, после чего измеряют магнитное поле в устройстве при разных температурах.

В предпочтительном варианте осуществления способа повторяют шаги определения параметров корректировки шунта, его корректировки и размещения около магнита с последующим измерением магнитного поля в устройстве при разных температурах, если температурная стабильность измеренного магнитного поля отличается от требуемой.

Магнитное поле преимущественно измеряют в рабочей области устройства, которая находится между парой магнитов. Шунты могут устанавливать около боковых поверхностей магнитов. Конфигурация устройства может включать в себя данные о расположении ферромагнитных элементов и постоянных магнитов. Магнитные свойства материалов могут включать в себя данные о величине магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами, и кривых намагничивания ферромагнитных элементов устройства. Конфигурацию шунта преимущественно определяют исходя из условия, что обратный магнитных поток замыкается в бесконечности. Шунты предпочтительно имеют кольцеобразную форму.

Технический результат заключается в повышении температурной стабильности магнитного поля в рабочей области явнополюсного магниторезонансного устройства за счет применения шунтов для термокомпенсации.

Краткое описание чертежей

На фигуре показана условная конструкция источника магнитного поля.

Осуществление изобретения

Далее изобретение детально описано по отношению к фигуре. На ней 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 размещаются ферромагнитные элементы 4 (полюсной наконечник с шимами), выполненные, 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.

Из-за колебаний температуры в помещении, в т.ч. из-за работы других элементов устройства (например, градиентных катушек томографа), температура элементов устройства меняется, что влечет изменения магнитных свойств постоянных магнитов и ферромагнетиков. Вследствие этого изменяется магнитное поле в явнополюсном магниторезонансном устройстве, что приводит к изменению как величины поля, так и его распределения в устройстве.

Для того, чтобы снизить изменения магнитного поля вследствие изменения температуры в устройстве, возможно применять следующий способ термокомпенсации магнитного поля в рабочей области явнополюсного магниторезонансного устройства. Способ включает в себя следующие шаги:

Во-первых, определяют конфигурацию устройства 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, а также зависимостях их магнитных свойств от температуры.

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 и термомагнитные свойства шунта, при которой в устройстве обеспечивается магнитное поле с заданной степенью температурной стабильности. Для этого в программе дополнительно около постоянных магнитов или магнитных систем размещают шунты 5 исходной конфигурации (формы и магнитных свойств) и далее решают оптимизационную задачу по обеспечению магнитного поля в области сканирования требуемой температурной стабильности, в ходе которой подбирают такую форму шунта и такие его магнитные свойства, при которых в области сканирования будет получено магнитное поле с требуемой температурной стабильностью. Оптимизационная задача может решаться любыми известными из уровня техники способами и системами, например, системами автоматического проектирования (САПР). Конфигурацию шунта предпочтительно определяют исходя из условия, что обратный магнитных поток от всех магнитных элементов, включая шунты, замыкается в бесконечности.

В-четвертых, изготавливают шунт с расчетной формой и устанавливают около магнита в устройстве. Изготовление может происходить, например, с использованием ферромагнитного материала, предпочтительно стали, с определенной (оптимизированной, промоделированной, вычисленной) конфигурацией (формой). Шунты преимущественно устанавливают около боковых поверхностей магнитов в томографе или спектрометре. Поскольку постоянные магниты обычно имеют симметрию и предпочтительно являются круглыми, то и шунты предпочтительно имеют кольцеобразную форму. Сторона полюсного 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 устройство (в рабочей области) датчиками магнитного поля при разных температурах и, если его стабильность отличается от требуемой, определяют параметры корректировки шунта для исправления температурной нестабильности. Параметры шунтов могут включать в себя кривые намагничивания и/или магнитную проницаемость и их зависимости от температуры, форму, размеры, расположение, материал и другие факторы, влияющие на магнитное поле в шунте и около него. Форма, положение шунтов и остальные параметры могут определяться, например, математическим моделированием результатов измерений, например, как решение некорректной обратной задачи магнитостатики.

Затем корректируют шунт и размещают около магнита в устройстве. Корректировка шунта может осуществляться изменением ранее изготовленного шунта путем изменения его свойств, формы, размеров и т.п., так и заменой шунта на новый. В предпочтительном варианте шунты дополняются корректирующими шунтирующими элементами без извлечения ранее установленных шунтов.

После размещения корректированного шунта около магнита измеряют магнитное поле в устройстве при разных температурах.

Способ может повторять шаги определения параметров корректировки шунта, его корректировки и размещения около магнита с последующим измерением магнитного поля в устройстве при разных температурах, если температурная стабильность измеренного магнитного поля отличается от требуемой. Такие повторы могут производиться итерационно до тех пор, пока не будет получена требуемая температурная стабильность.

Магнитное поле предпочтительно измеряют в рабочей область устройства, которая находится между парой магнитов.

Технический результат заключается в повышении температурной стабильности магнитного поля в рабочей области явнополюсного магниторезонансного устройства за счет применения для термокомпенсации шунтов. Шунты уменьшают магнитное поле в рабочей области явнополюсного магниторезонансного устройства, поскольку закорачивают собой часть магнитного поля, т.е. силовые линии магнитного поля частично возвращаются в магниты не через пространство рабочей области, а через шунты. Однако взамен такого уменьшения магнитного поля в рабочей области удается повысить его температурную стабильность.

Достигается это следующим образом. Когда изменяется температура среды, в которой находится явнополюсное магниторезонансное устройство или его отдельные элементы, и это приводит к изменению температуры магнитной системы устройства, магнитное поле может измениться. Кроме того, температура магнитной системы устройства или ее отдельных элементов, таких как магниты и наконечники, может изменяться вследствие активной работы устройства, например, из-за нагрева. В таких случаях изменяются магнитные свойства магнитной системы и магнитное поле меняется.

Поскольку шунты входят в состав магнитной системы и находятся в той же среде, что и остальные элементы, и точно также нагреваются и охлаждаются, в том числе из-за теплового контакта с ними, то и магнитные свойства шунтов также меняются. Изменение этих свойств приводит к термокомпенсации магнитного поля и повышению его температурной стабильности.

Например, если вследствие роста температуры магнитов и других элементов магнитной системы магнитное поле в целом уменьшается из-за соответствующего изменения магнитных свойств элементов, то шунтируемое магнитное поле также уменьшится, поскольку шунт точно также нагревается и его магнитные свойства также изменяются. Поскольку шунт замыкал через себя часть магнитного поля, которое могло проходить через рабочую область устройства, но не проходило, то теперь, при повышении температуры, шунт замыкает через себя меньше магнитного поля, а это означает, что в рабочей области устройства магнитное поле возрастет за счет того поля, которое теперь не проходит через шунт. Это возрастание магнитного поля за счет изменения магнитных свойств шунта компенсирует уменьшение магнитного поля в рабочей области, произошедшего из-за изменения свойств остальных элементов магнитной системы. Таким образом магнитное поле становится более стабильным при росте температуры.

Если температура магнитов и других элементов магнитной системы, наоборот, падает, то магнитное поле в целом увеличивается из-за соответствующего изменения магнитных свойств элементов. Шунтируемое магнитное поле также увеличивается, поскольку шунт точно также охлаждается и его магнитные свойства также изменяются. Поскольку теперь, при понижении температуры, шунт замыкает через себя больше магнитного поля, то это означает, что в рабочей области устройства магнитное поле уменьшится за счет того поля, которое теперь проходит через шунт. Это уменьшение магнитного поля за счет изменения магнитных свойств шунта компенсирует увеличение магнитного поля в рабочей области, произошедшего из-за изменения свойств остальных элементов магнитной системы. Таким образом магнитное поле становится более стабильным и при снижении температуры.

Изменения магнитных свойств в зависимости от температуры могут иметь одинаковый характер как для шунтов, так и для других элементов магнитной системы, таких как магниты, полюсные наконечники и т.п. В предпочтительном варианте изменения магнитных свойств шунтов в зависимости от температуры являются более выраженными по сравнению с другими элементами магнитной системы, поскольку это позволяет обеспечивать более высокую температурную стабильность при использовании шунтов меньших или небольших размеров.

Настоящее изобретение также обеспечивает снижение трудоемкости процесса настройки устройства, т.е. обеспечения температурной стабильности магнитного поля в рабочей области томографа или спектрометра.

Снижение трудоемкости обеспечивается за счет того, что шунт, устанавливаемый около постоянного магнита или сборки постоянных магнитов, предварительно отмоделирован и уже сам по себе обеспечивает высокую степень температурной стабильности магнитного поля.

Для получения более высокой температурной стабильности магнитного поля, в зависимости от искажений поля в рабочей области, полученных в ходе сборки томографа или спектрометра или изготовления его деталей, потребуется несколько итераций с корректировкой шунтов. Поскольку в уровне техники такое повышение стабильности магнитного поля также может потребовать несколько итераций, 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.

Трудоемкость снижается также благодаря тому, что при последующей подгонке требуется перемещать только шунты с весом меньше веса полюса и магнита, а также благодаря упрощению монтажа шунтирующих элементов ввиду их меньшей массы и площади поверхности.

Кроме того, благодаря использованию шунтов, которые имеют оптимизированную конфигурацию и изначально обеспечивают высокую степень температурной стабильности магнитного поля, и которые могут быть откорректированы путем дополнения корректирующими шунтирующими элементами, не требуется извлекать из томографа или спектрометра шунты и дорабатывать путем выполнения в нем прорезей или отрезания частей. Благодаря этому настоящее изобретение дополнительно снижает трудоемкость процесса обеспечения температурной стабильности магнитного поля в томографах и спектрометрах в несколько раз, поскольку исключается множественные повторы операций извлечения, доработки, установки шунтов.

Необходимо учитывать, что форма шунта определяется для заданной конфигурации томографа или спектрометра. Это значит, что конфигурацию шунта для томографа или спектрометра одной и той же конструкции можно рассчитать один раз и серийный полюс может изготавливаться сразу с наконечником, магнитом и другими элементами. Дополнительные или корректированные шунты, обеспечивающие требуемую температурную стабильность 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 температурной стабильности магнитного поля, что приводит к еще большему снижению трудоемкости.

Изобретение относится к способам формирования магнитного поля в явнополюсных магнитах, применяемых в магниторезонансных устройствах – спектрометрах, спектрографах, томографах и других. Раскрыт способ термокомпенсации магнитного поля в рабочей области явнополюсного магниторезонансного устройства. Способ включает 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 и термомагнитные свойства шунта, при которой обеспечивается магнитное поле с заданной степенью температурной стабильности; изготавливают шунт с расчетной формой и устанавливают около магнита в устройстве; измеряют магнитное поле в устройстве при разных температурах и, если его стабильность отличается от требуемой, определяют параметры корректировки шунта для исправления температурной нестабильности, корректируют шунт и размещают около магнита в устройстве, после чего измеряют магнитное поле в устройстве при разных температурах. Технический результат заключается в повышении температурной стабильности магнитного поля в рабочей области явнополюсного магниторезонансного устройства за счет применения для термокомпенсации шунтов. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ термокомпенсации 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 и термомагнитные свойства шунта, при которой в устройстве обеспечивается магнитное поле с заданной степенью температурной стабильности;

изготавливают шунт с расчетной формой и устанавливают около магнита в устройстве;

измеряют магнитное поле в устройстве при разных температурах и,

если его стабильность отличается от требуемой, определяют параметры корректировки шунта для исправления температурной нестабильности, корректируют шунт и размещают около магнита в устройстве, после чего измеряют магнитное поле в устройстве при разных температурах.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что повторяют шаги определения параметров корректировки шунта, его корректировки и размещения около магнита с последующим измерением магнитного поля в устройстве при разных температурах, если температурная стабильность измеренного магнитного поля отличается от требуемой.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что магнитное поле измеряют в рабочей области устройства, которая находится между парой магнитов.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шунты устанавливают около боковых поверхностей магнитов.

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

6. 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.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что конфигурацию шунта определяют исходя из условия, что полный обратный магнитных поток замыкается в бесконечности.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шунты имеют кольцеобразную форму.