磁共振成像系统中的磁屏蔽

磁共振成像系统中的磁屏蔽赵喜平郑崇勋本文作者赵喜平先生西安交通大学生物医学工程研究所博士研究生第四军医大学西京医院磁共振室工程师郑崇勋先生西安交通大学生物医学工程研究所所长教授博士导师关键词:MRI磁屏蔽磁屏蔽材料磁体是磁共振成像(MagneticResonanceImagingMRI)系统的重要组成部分无论是超导磁体还是永磁体或常导磁体其作用都是为MRI设备提供静磁场B0但是由于它的磁力线将向空间各个方向散布即形成所谓的杂散磁场就有可能干扰周围环境中那些磁敏感性强的设备使其不能正常工作另一方面磁体周围环境的变化也会影响磁场的均匀程度由此可见在磁共振成像系统中磁场与环境的相互影响是一个不容忽视的问题目前广泛采用安装磁屏蔽的办法来解决本文首先介绍磁屏蔽的概念和分类然后讨论有关磁屏蔽的计算以及制做屏蔽体可采用的最佳材料一磁屏蔽所谓磁屏蔽(MagneticScreen或MagneticShield)就是用高饱和度的铁磁性材料来包容特定容积内的磁力线它不仅可防止外部铁磁性物质对磁体内部磁场均匀性的影响同时又能大大削减磁屏蔽外部杂散磁场的分布以英国牛津公司HELICON磁体(1.5T)为例安装磁屏蔽体后这种磁体的中心至5高斯线之距离在xy轴上可由9.2m内缩至4.2mz轴上则由11.6m缩小至5.8m5高斯线内缩幅度达5m左右因此增加磁屏蔽是一种极为有效的磁场隔离措施磁屏蔽的原理可借助并联磁路的概念来说明如图1所示将一个磁导率很大的软磁材料罩壳放在外磁场中则罩壳壁与空腔中的空气就可以看作并联磁路由于空气的磁导率μ接近于1而罩壳的磁导率在几千以上使得空腔的磁阻比罩壳壁的磁阻大很多这样一来外磁场的绝大部分磁感应通量将从空腔两侧的罩壳壁内通过进入空腔内部的磁通量是很少的这就达到了磁屏蔽的目的在MRI中磁屏蔽既起到保护空腔内磁场不被其它外界因素干扰的作用又限制腔内磁场以杂散磁场的方式向周围环境中散布应当指出的是用软磁材料制做的罩壳(称为屏蔽体)对磁场的屏蔽效果远不如金属导体壳对静电的屏蔽效果好这是因为金属导体的电导率一般要比空气的电导率大十几个数量级而铁与空气的磁导率只差几千倍二磁屏蔽的分类从广义上来说MRI系统的磁屏蔽可分为有源和无源两种有源屏蔽(ActiveShield)是指由一个线圈或线圈系统组成的磁屏蔽与工作线圈(内线圈)相比屏蔽线圈可称为外线圈这种磁体的内线圈中通以正向电流以产生所需的工作磁场外线圈中则通以反向电流以产生反向的磁场来抵消工作磁场的杂散磁场从而达到屏蔽的目的如果线圈排列合理或电流控制准确屏蔽线圈所产生的磁场就有可能抵消杂散磁场无源屏蔽(PassiveShield)使用的是铁磁性屏蔽体即上面所说的软磁材料罩壳它因不使用电流源而得名根据屏蔽范围的不同无源磁屏蔽又可分为下述三种(1)房屋屏蔽:即在磁体室的四周墙壁地基和天花板等六面均镶入4~8mm厚的钢板构成封闭的磁屏蔽间这种屏蔽体的用材常达数十吨甚至上百吨因而价格昂贵(2)定向屏蔽:如果杂散磁场的分布仅在某个方向超出了规定的限度(如5高斯)则可只在对应方向的墙壁中安装屏蔽物形成杂散磁场的定向屏蔽这种方法特别适用于MRI室和CT室共用一建筑物的情形(3)自屏蔽(Self-Shielding):是指仅在磁体周围安装铁磁材料屏蔽体的屏蔽方法用这种方法可以得到非常理想的屏蔽效果如果再在屋顶加装定向屏蔽则它有可能使主磁场的5高斯线完全限制在一般建筑物的楼层高度之内全身MRI系统磁体的自屏蔽可以有板式圆柱式立柱式及圆顶罩式等多种结构形式各种结构的设计都应以主磁场的均匀性不受影响或少受影响为目的自屏蔽的缺点是其屏蔽体重量往往多达数十吨但是它对外界磁干扰的屏蔽既有效又方便图2是英国牛津公司为其UNISTAT磁体(1.5T)设计的磁屏蔽体(立柱式)其安装重量达32吨三无源屏蔽的效率及其讨论屏蔽体的效率一般由屏蔽因数S确定设所有屏蔽体材料的厚度τ相同磁导率µ均匀而恒定即屏蔽体由磁导率处处相同的板材构成将这种屏蔽体置于均匀的静磁场中则S的定义为S=sBB0(1)式中B0和Bs分别为屏蔽区内给定点在屏蔽前后的场强屏蔽后已知点场强下降越多表明屏蔽效率越高(S越大)显然式(1)所表示的屏蔽效率是采用理想屏蔽体的情况静态屏蔽的效率主要决定于屏蔽材料的磁导率但是实际上磁导率µ的值受许多因素影响如它所在的磁场场强环境温度和屏蔽体的厚度等当内部磁感应强度增加时磁导率随之增加并达最大值;而当饱和出现时它又迅速衰减因此为了保证屏蔽的有效性必须保证屏蔽体不被饱和另一方面即使屏蔽体是均匀的磁力线的密度并不均匀由此可以推知:屏蔽体磁导率的大小与它的几何形状以及在磁场中的位置有关也就是说屏蔽体的磁导率既不均匀也不可能保持恒定实践中µ的最好确定办法就是通过实验来测定MRI屏蔽体制造厂家通常要提供内部磁感强度Bi和µ之间的关系式因此还可通过估计屏蔽体内某点的磁感Bi来计算出µBi的估计可按下述思路进行首先将磁体线圈约化为双极磁体并将其置于一个半径为R厚度为τ由高度磁化材料制做的柱形屏蔽体中如果该屏蔽体效率足够高它将收集磁体的所有空间磁力线由于场强与距离的立方成反比进入屏蔽体的磁通为∫∞==ΦRRCrdrrCππ223(2)式中的C是与磁体线圈匝数线圈电流以及线圈几何尺寸等因素相关的常数r为给定点至磁体中心的距离设该磁通全部通过屏蔽体横断面由于其面积为AτπR2因而可得屏蔽体内的磁感应强度Bi=ττRBRC02=(3)式中的B0是无磁屏蔽时距离R处磁体所产生的磁感强度为了获得最大的屏蔽效率屏蔽体的厚度选择应使其磁感强度在最大磁导率范围之内即B0=maxBR=τ(4)且在任何时候上述磁感都应小于屏蔽体的饱和磁感Bsat也就是B0=satBRτ(5)该不等式对于许多屏蔽材料都是适用的四磁屏蔽材料磁屏蔽材料可以根据磁导率的高低粗略地划分为高磁导率及低磁导率两大类它们分别以镍合金及铁合金(包括铁和钢)为代表高磁导率材料的特点是具有很高的初始磁导率和最大磁导率为了保持理想的磁导率屏蔽体做成后还需进行退火处理另外这类材料的饱和磁感为0.75~0.9T只有普通铁合金或钢饱和磁感的三分之一也就是说高磁导率材料非常容易饱和在高场的情况下这类材料的屏蔽体只有做得比铁屏蔽厚得多时才能避免饱和的出现而从价格上来看高磁导率材料又比低磁导率材料贵得多此外这类材料还具有因大应力和高温度敏感性而难以处理的缺点因此尽管镍合金的磁导率很高但综合考虑到用量经济性以及制做工艺等原因一般认为它并不适于制造大容量的磁体屏蔽体铁或钢的最大磁导率可以达到5000这对于一般的磁屏蔽来说已经足够高了理论和实践都证明这类材料完全可以使屏蔽因数达到10以上这一效果已能使5高斯线区缩小至理想范围之内因此现在大量采用相对便宜的高磁饱和度的铁或钢来制做磁屏蔽体调整其厚度可获得最大磁导率下面估算建造一个单层柱形屏蔽体所需的铁用量我们已经知道有效屏蔽体的横断面面积为AτπR2将式(3)和式(4)代入得Amax22RBCRπτπ=≈(6)理论计算表明当屏蔽体的长度L与其直径D(D=2R)相当时方可获得最佳屏蔽效果因而可知所需屏蔽材料的体积为V=max4BCπ(7)由上式可见屏蔽材料的用量与屏蔽体的半径无关对于典型的2T磁场由式(7)决定的铁用量为25吨全文完