醫(yī)院磁共振機房的屏蔽原理和設(shè)計原則

李朝偉 賀建林 姚 翔

1 磁共振成像的原理

磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)是利用無損傷的核磁方法對人體任意斷面進行成像的一種先進技術(shù)，利用原子的核磁效應來成像的[1]。“核”指氫原子核，MRI依賴水中氫原子，而人體約70%由水組成，將人體置于特殊磁場中，用無線電射頻脈沖激發(fā)人體內(nèi)氫原子核，引起氫原子核共振，并吸收能量。在停止射頻脈沖后，氫原子核按特定頻率發(fā)出射電信號，并將吸收的能量釋放出來，被體外的接收器記錄，經(jīng)過計算機處理獲得圖像。在這個過程中由于氫原子釋放出的電信號十分微弱，極易受到外界的干擾，因此對磁共振機房建設(shè)提出很高的要求，關(guān)鍵要做好屏蔽[2]。

2 磁共振機房的屏蔽原理

屏蔽是通過由金屬制成的殼、盒、板等屏蔽體，將電磁波局限于某一區(qū)域內(nèi)的一種方法。由于輻射源分為近場的電場源、磁場源和遠場的平面波，因此屏蔽體的屏蔽性能依據(jù)輻射源的不同，在材料選擇、結(jié)構(gòu)形狀和對孔縫泄露控制等方面都有所不同[3]。在設(shè)計時要達到所需的屏蔽性能，則須首先確定輻射源，明確頻率范圍，然后再根據(jù)各個頻段的典型泄露結(jié)構(gòu)，確定控制要素，進而選擇恰當?shù)钠帘尾牧显O(shè)計屏蔽殼體。

2.1 屏蔽體的類型

(1)電屏蔽的實質(zhì)是減小2個設(shè)備(或2個電路、組件、元件)間電場感應的影響。電屏蔽的原理是在保證良好接地的條件下，將干擾源所產(chǎn)生的干擾終止于由良導體制成的屏蔽體。因此，接地良好及選擇良導體做為屏蔽體是電屏蔽能否起作用的兩個關(guān)鍵因素。

(2)磁屏蔽的原理是由屏蔽體對干擾磁場提供低磁阻的磁通路，從而對干擾磁場進行分流。因而選擇鋼、鐵和坡莫合金等高磁導率的材料和設(shè)計盒、殼等封閉殼體成為磁屏蔽的兩個關(guān)鍵因素。

(3)電磁屏蔽(又名射頻屏蔽)的原理是由金屬屏蔽體通過對電磁波的反射和吸收來屏蔽輻射干擾源的遠區(qū)場，即同時屏蔽場源所產(chǎn)生的電場和磁場分量。由于隨著頻率的增高，波長變得與屏蔽體上孔縫的尺寸相當，從而導致屏蔽體的孔縫泄漏成為電磁屏蔽最關(guān)鍵的控制要素。

2.2 屏蔽體的泄漏耦合結(jié)構(gòu)

屏蔽體的泄漏耦合結(jié)構(gòu)與所需抑制的電磁波頻率密切相關(guān)[4]，三類屏蔽所涉及的頻率范圍及控制要素見表1。

表1 泄漏耦合結(jié)構(gòu)與控制要素

實際屏蔽體上同時存在多個泄漏耦合結(jié)構(gòu)(n)，設(shè)屏蔽體接縫、通風孔、屏蔽體壁板等各泄漏耦合結(jié)構(gòu)的單獨屏蔽效能(如只考慮接縫)為Sei(i=1,2,…n)，則屏蔽體總的屏蔽效能為[5]：

由上式可以看出，屏蔽體的屏蔽效能是由各個泄漏耦合結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生最大泄漏耦合的結(jié)構(gòu)所決定的，即由屏蔽最薄弱的環(huán)節(jié)所決定的。因此，進行屏蔽設(shè)計時明確不同頻段的泄漏耦合結(jié)構(gòu)，確定最大泄漏耦合要素是其首要的設(shè)計原則。

在三類屏蔽中，磁屏蔽和電磁屏蔽的難度較大。尤其是電磁屏蔽設(shè)計中的孔縫泄漏抑制最為關(guān)鍵，成為屏蔽設(shè)計中應重點考慮的首要因素[6]。

3 磁共振機房屏蔽的設(shè)計原則

磁共振屏蔽機房的設(shè)計要遵從以下原則：

(1)屏蔽機房的設(shè)計要有足夠的屏蔽效能。

(2)屏蔽機房的空間范圍與設(shè)置部位須根據(jù)磁共振設(shè)備的安全應用而定[7]。

(3)屏蔽機房結(jié)構(gòu)的設(shè)計要合理，各屏蔽部件的連接部件必須性能良好，嚴防漏電。

(4)屏蔽機房電源線設(shè)計要合理，電源線路之上需加裝低通濾波器。

(5)屏蔽機房設(shè)有必要的出入口，通風與照明設(shè)施妥善處理，最大限度地減少電磁漏泄[8]。

(6)屏蔽機房應具備良好的耐腐蝕性能，并有足夠的機械強度，便于安裝。

4 磁共振機房選址的注意事項

(1)磁共振機房選址應避免磁場對其他設(shè)備的干擾而影響其他設(shè)備正常工作。

(2)盡量減少外界對磁場的干擾因素，查找原因和設(shè)計電磁屏蔽消除影響和提供補償[9]。

(3)應考慮對相關(guān)特殊人群的安全限制措施。

(4)要考慮有無合適的設(shè)備搬運通道，特別是磁體吊裝的進路和場地[10]。

5 結(jié)語

核磁共振設(shè)備結(jié)構(gòu)復雜，磁共振機房的屏蔽設(shè)計和選址等因素是關(guān)系到以后設(shè)備使用壽命及成像質(zhì)量的重要因素。因此，在機房建設(shè)的時候要考慮到每一個細節(jié)，不僅能保證設(shè)備穩(wěn)定運行，還能減少不必要的設(shè)備故障。

[1]楊博.醫(yī)院核磁機房建設(shè)注意要點[J].醫(yī)療裝備,2010,23(11):25-26.

[2]殷紅玉,馬通邊.屏蔽材料的屏蔽效能測量方法探討[J].電子材料與電子技術(shù),2005,32(2):11-13.

[3]古映雪,邱小勇,胡啟明,等.電磁屏蔽材料的研究進展[J].材料導報,2005,19(2):53-56.

[4]李雪,劉泰康,姜云.電磁屏蔽技術(shù)分析[J].電子工藝技術(shù),2007,28(1):49-51.

[5]梁燦彬,秦光榮,梁竹健.電磁學[M]北京:高等教育出版社,1998.

[6]汝強,胡社軍.電磁屏蔽理論及屏蔽材料的制備[J].包裝工程,2004,25(5):21-23.

[7]賴祖武.電磁屏蔽的理論基礎(chǔ)[M].北京:原子能出版社,1993:21-28.

[8]P o m p o s o J A，R o d r i g u e z J，G r a n d e H.Polypyrrole-based conducting hot melt adhesives for EMI shielding applications[J]. Synthetic Metals,1999(104):107-111.

[9]Kim HK, Kim MS,Song K.EMI shielding intrinsically conducting polymer/PET textile composites[J].Synthetic Metals,2003, 135/136(4):105-106.

[10]Lin Chhiu-Tsu, Swanson B,Kolody M,et al.Nanograin magnetoresistive manganite coatings for EMI shielding against directed energy pulses[J].Progress in Organic Coatings,2003,47:190-197.