磁共振成像（MRI)集成診療設(shè)備屏蔽技術(shù)分析

中圖分類號：R143文獻標志碼：A

0 引言

磁共振成像（MRI）技術(shù)自誕生以來，憑借其卓越的解剖結(jié)構(gòu)清晰度和軟組織對比度，已成為現(xiàn)代醫(yī)學診斷中不可或缺的重要工具。近年來，隨著醫(yī)學技術(shù)的不斷進步，MRI與其他診斷及治療設(shè)備的集成化趨勢愈發(fā)顯著，如心電圖（ECG）、腦電圖（EEG）、單光子發(fā)射計算機斷層掃描（SPECT）、正電子發(fā)射計算機斷層掃描（PET）系統(tǒng)，以及放射治療設(shè)備中的直線加速器（Linac）和質(zhì)子治療加速器等。這種集成化嘗試為醫(yī)學成像和治療技術(shù)帶來了革命性的變革，開辟了全新的篇章。

眾多研究表明，這些集成設(shè)備通過融合MRI精確的解剖定位能力與其他設(shè)備的特定功能優(yōu)勢，能夠提供前所未有的診療模式，極大地提升診斷和治療的精準性與效率。例如，PET-MR系統(tǒng)結(jié)合了PET的代謝成像和MRI的高分辨率解剖成像，為腫瘤等疾病的早期發(fā)現(xiàn)、定位和治療提供了雙重視角，顯著提高了診斷的準確性[1-3]。MRI-Linac[4-5]和 MRiPT系統(tǒng)[6-7]則在放射治療過程中提供實時、精確的圖像引導，顯著提高了治療的精準度和安全性。這些集成技術(shù)的發(fā)展不僅極大地擴展了MRI的應(yīng)用范圍，還為個體化和精準醫(yī)療提供了強有力的技術(shù)支持，被認為是放射診療技術(shù)進步的最新里程碑。

然而，這些集成設(shè)備的廣泛應(yīng)用也帶來了新的挑戰(zhàn)。由于MRI系統(tǒng)對電磁干擾（EMI）極為敏感，而標準的電子設(shè)備在MRI的強靜態(tài)和動態(tài)磁場中可能會受到干擾，從而影響MRI圖像的質(zhì)量[8-9]。此外，這些集成設(shè)備既具有MRI的磁特性，又具有對應(yīng)PET等設(shè)備的輻射特性，使得其屏蔽過程變得復(fù)雜。屏蔽技術(shù)方面涉及到磁屏蔽和輻射屏蔽，屏蔽的方式則涉及到設(shè)備本身的屏蔽和機房環(huán)境的屏蔽。

盡管已有研究對MRI集成設(shè)備的屏蔽技術(shù)進行了初步探討，但目前仍存在一些不足之處[10-1] 。例如，對于屏蔽材料的設(shè)計與選擇，尚未能充分兼顧磁屏蔽和輻射屏蔽的協(xié)同性，導致在實際應(yīng)用中可能存在屏蔽效果不理想的情況。此外，對于患者射頻屏蔽技術(shù)的研究也相對較少，如何在保護患者敏感部位的同時，確保MRI圖像質(zhì)量不受影響，仍是一個亟待解決的問題。因此，本研究旨在深入分析MRI集成設(shè)備自身屏蔽的影響因素，探討其屏蔽技術(shù)的協(xié)同性，并提出優(yōu)化的屏蔽設(shè)計方案，以期為MRI集成設(shè)備的廣泛應(yīng)用提供更加可靠的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 MRI集成設(shè)備自身屏蔽的影響因素分析

1.1MRI集成設(shè)備屏蔽的重要性

在現(xiàn)代醫(yī)療實踐中，將多種電子診療設(shè)備與磁共振成像（MRI）系統(tǒng)集成是一個充滿挑戰(zhàn)的任務(wù)。MRI系統(tǒng)對電磁干擾（EMI）極為敏感，而標準的電子設(shè)備在MRI的強靜態(tài)和動態(tài)磁場中可能會受到干擾，從而影響MRI圖像的質(zhì)量。例如，當PET系統(tǒng)與MRI系統(tǒng)集成時[12]，如果PET設(shè)備的屏蔽措施不到位，可能會引起射頻線圈接收到雜散信號，導致MRI圖像質(zhì)量受損，如圖1（左）。相反，一旦同步電纜問題得到修復(fù)，圖像質(zhì)量就會恢復(fù)清晰，如圖1（右）。這表明，電磁干擾對MRI圖像的影響是顯著的，需要通過適當?shù)钠帘未胧﹣砜刂啤?/p>

此外，MRI技術(shù)的核心是利用時變低頻梯度磁場來實現(xiàn)圖像的空間編碼。然而，這種時變磁場會在導電元件中產(chǎn)生渦電流，這些渦電流會生成與原磁場方向相反的磁場，干擾MRI系統(tǒng)的正常工作，并可能引起圖像失真。因此，為了保持MRI圖像的清晰度和準確性，對集成到MRI系統(tǒng)中的各類電子設(shè)備進行有效的射頻場屏蔽變得尤為重要。

為了解決這一問題，對MRI系統(tǒng)和集成的電子設(shè)備進行射頻屏蔽是至關(guān)重要的，這涉及到對設(shè)備和MRI掃描儀的射頻發(fā)射和接收系統(tǒng)進行精細調(diào)整，以確保抑制任何可能的電磁干擾。通過這種方式，可以實現(xiàn)電子設(shè)備與MRI系統(tǒng)的無縫集成，為醫(yī)生提供更全面的診療信息，同時避免干擾影響診斷結(jié)果的準確性。

因此，MRI系統(tǒng)的電磁敏感性要求在集成其他電子設(shè)備時采取嚴格的射頻屏蔽措施。這些措施不僅保護了MRI圖像的質(zhì)量，還確保了醫(yī)療診斷的準確性和可靠性。通過精心設(shè)計和實施屏蔽策略，可以有效地將各種電子診療設(shè)備與MRI系統(tǒng)集成，為患者提供更優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)。

1. 2 屏蔽材料的設(shè)計與分析

1. 2. 1 梯度磁場與空間編碼的影響

MRI技術(shù)中，空間編碼的精確性是成像質(zhì)量的基石，這主要依賴于精心控制的線性梯度磁場。這些磁場的精確控制確保了成像過程中能夠準確定位并區(qū)分不同組織的信號，為醫(yī)生提供清晰的診斷圖像。然而，梯度磁場的穩(wěn)定性面臨著挑戰(zhàn)。如文獻[13-15]所述，任何梯度磁場的偏差都可能對圖像重建過程產(chǎn)生不利影響，引發(fā)圖像偽影。這些偽影不僅降低了成像質(zhì)量，還可能導致對病變的診斷誤判，對患者的治療計劃產(chǎn)生重大影響。

梯度磁場的偏差主要來源于兩個方面：一是外部電磁干擾，包括環(huán)境中的電磁波干擾和設(shè)備操作產(chǎn)生的干擾；二是內(nèi)部渦電流的影響，尤其是在使用高導電性材料作為MRI設(shè)備組成部分時更為顯著。渦電流產(chǎn)生的磁場與原梯度磁場相互作用，進一步扭曲了梯度磁場的分布，增加了成像過程中的不確定性。

因此，為了減少這些干擾對MRI成像質(zhì)量的影響，需要對MRI設(shè)備中的屏蔽材料進行精心設(shè)計和選擇。屏蔽材料的主要目標是最小化外部干擾的影響，同時減少內(nèi)部組件對梯度磁場產(chǎn)生的干擾，確?？臻g編碼過程的準確性和可靠性。

1. 2. 2 屏蔽材料的優(yōu)化設(shè)計

理想的屏蔽材料應(yīng)首先確保對梯度磁場的高透明度，同時提供卓越的射頻（RF）屏蔽效能。據(jù)文獻[16-17]，在MHz 范圍內(nèi)降低射頻透射率，可以顯著提升屏蔽效果。提高梯度透明度的有效策略包括降低材料在梯度磁場工作頻率（通常為幾千Hz ）的電導率，這可以通過減少材料的導電性或調(diào)整屏蔽層的厚度實現(xiàn)。此外，維持低磁化率也至關(guān)重要，因為高磁化率可能降低靜態(tài)磁場的均勻性，從而導致成像失真。這種失真與渦電流感應(yīng)產(chǎn)生的磁場不同，呈現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定的性質(zhì)。所有這些屏蔽參數(shù)對于需要屏蔽的MRI設(shè)備中的每個組件都是至關(guān)重要的。理想的屏蔽材料還應(yīng)具有較低的磁性易感性，以防止對磁共振成像的主磁場產(chǎn)生扭曲，從而確保較低的磁化率和避免MRI主磁場的失真。

在各MRI的集成設(shè)備中，MRI的梯度場的強度一般約為： 100～500mT/m （對應(yīng)的電場強度約為 100～300V/m ），其中加速器的射頻場強度在1000～3000V/m 之間，PET探測器的電場強度通常較低（約為 50～100V/m） ），質(zhì)子束的電場強度通常較低（約為 50～100V/m ）

對于PET/MRI和SPECT/MRI設(shè)備，屏蔽材料還需要對幾百 keV 能級的伽馬光子具有較高的透明度。這可以通過在PET探測器與正電子發(fā)射源之間設(shè)置屏蔽結(jié)構(gòu)，并測量透過的 γ 光子來實現(xiàn)。屏蔽材料的設(shè)計是為了通過其高密度和高原子序數(shù)來有效吸收和散射 γ 射線，從而減少輻射穿透。已有研究通過槽式屏蔽技術(shù)，通過引入孔隙減少導電面積，從而降低渦電流強度[18-19]。另一種減少導電面積的方法是采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，例如使用銅網(wǎng)或磷青銅網(wǎng)[20]。然而，這些間隙可能導致射頻泄漏，進而降低屏蔽效能。碳纖維由于其卓越的射頻屏蔽性能而備受關(guān)注[21-22]，并預(yù)計在梯度磁場中的透明度顯著高于銅網(wǎng)[23-25]，同時保持與銅網(wǎng)相似的低磁化率。

在電子元件的應(yīng)用中，銅質(zhì)屏蔽層因其極低的磁化率而被廣泛采用[26-29]，以避免對主磁場造成畸變。MRI設(shè)備依賴于快速切換的梯度磁場來實現(xiàn)空間編碼，這些時變磁場會在導電元件中誘導產(chǎn)生渦電流。渦電流的強度及其衰減時間受到元件的電導率和幾何形狀的影響。通過降低電導率和減小面對磁場變化方向的面積，可以有效減少渦電流的強度和衰減時間，從而減少對MRI成像的干擾。

MRI設(shè)備依賴于快速切換的梯度磁場來實現(xiàn)空間編碼。這些時變磁場會在所有垂直于磁場變化方向的導電元件中，如屏蔽層，誘導產(chǎn)生渦電流。這些渦電流沿環(huán)形路徑流動，并以多指數(shù)形式衰減[30]。渦電流的強度及其衰減時間受到元件的電導率和幾何形狀的影響。例如，通過降低電導率和減小面對磁場變化方向的面積，可以有效減少渦電流的強度和衰減時間。電導率是指材料導電性能的一個量度，電導率越低，渦電流越小。渦電流自身會產(chǎn)生一個與原始梯度磁場變化相反的附加磁場，導致實際的磁場分布與理論預(yù)期的磁場分布產(chǎn)生偏差。

1.3 患者射頻屏蔽

在磁共振成像（MRI）檢查中，患者射頻屏蔽技術(shù)的發(fā)展為保護患者敏感部位提供了新的解決方案。這項技術(shù)通過使用調(diào)諧的拾取線圈，能夠直接測量射頻場功率，并在屏蔽區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)高達35 分貝（dB）的功率衰減[31]。這一顯著的衰減效果得到了金屬線溫度測量結(jié)果的進一步證實，這些測量顯示，在MRI掃描過程中，屏蔽表面的溫度并未出現(xiàn)明顯升高，從而證明了射頻屏蔽在臨床MRI應(yīng)用中的有效性和潛在價值。

盡管如此，也必須注意到，在屏蔽的外圍邊緣區(qū)域，射頻功率出現(xiàn)了可測的增加。這一現(xiàn)象提示我們，屏蔽效果可能因不同的掃描設(shè)備而異，因此，對這一現(xiàn)象的監(jiān)控和調(diào)整是必要的。為了確保射瀕引起的加熱問題得到有效控制，屏蔽體設(shè)計中的金屬線條需要被精細地包裹在屏蔽體內(nèi)部。這樣的設(shè)計能夠充分利用屏蔽體的射頻衰減功能，最大程度地減少射頻泄露和相關(guān)的熱效應(yīng)。

射頻屏蔽技術(shù)的實施，不僅提升了MRI掃描的安全性，還優(yōu)化了圖像質(zhì)量。它有效防止了射頻干擾導致的圖像失真，確保了診斷結(jié)果的準確性和可靠性。通過這種方式，射頻屏蔽技術(shù)為MRI檢查提供了一個更加安全、高效的環(huán)境，同時也為患者帶來了更加舒適的檢查體驗。

2 MRI集成診療設(shè)備機房的電磁屏蔽設(shè)計

MRI基于人體組成原子在磁場作用下產(chǎn)生的共振現(xiàn)象，并釋放出電磁波信號，這些信號被設(shè)備捕捉并經(jīng)計算機處理后轉(zhuǎn)化為可視化圖像。為了確保MRI設(shè)備不受外部電磁干擾，同時避免對外界設(shè)備產(chǎn)生干擾，MRI集成診療設(shè)備機房需要進行精密的電磁屏蔽。屏蔽設(shè)計旨在阻擋外部電磁波的侵入并限制機房內(nèi)電磁波的外泄，通常通過使用導電或?qū)Т挪牧习鼙Ｗo區(qū)域來實現(xiàn)[10] 。

屏蔽設(shè)計需要綜合考慮屏蔽效能、材料的機械強度和耐腐蝕性等因素。屏蔽材料的選擇基于其相對電導率、相對磁導率、吸收損耗和反射損耗等特性。常用的主要屏蔽材料包括銅、鋁和鋼材[18，20]。在屏蔽較薄層或較低頻率時，銅或鋁是合適的選擇；在屏蔽較厚層或較高頻率時，則推薦使用鋼材。

在近場防護中，由于主要涉及電場分量，所以近場屏蔽主要依賴材料的電導率來抑制電場分量，因此銅在這類應(yīng)用中更為適用（具有最優(yōu)的相對電導率和磁導率）。遠場屏蔽中，磁場分量的影響增大，此時磁導率成為關(guān)鍵，薄鋼板成為一個可行的選擇，其中普通碳素結(jié)構(gòu)鋼用于非關(guān)鍵部位的屏蔽，而硅鋼板則因其高導磁率和低矯頑力等特性，適用于對屏蔽要求較高的場合。

鑒于MRI設(shè)備產(chǎn)生的電磁波頻率范圍廣泛，屏蔽設(shè)計還需考慮材料對不同頻率電磁波的屏蔽能力，以及屏蔽材料的厚度和電磁波的人射角等因素。在高頻或需要更厚屏蔽層的應(yīng)用中，鋼材，尤其是硅鋼，由于其高相對磁導率 μ （可達數(shù)千至數(shù)萬），成為更佳選擇。硅鋼的高磁導率有助于降低磁場的穿透，特別適合用于屏蔽MRI集成診療設(shè)備機房內(nèi)強烈的靜態(tài)磁場和射頻場。此外，硅鋼還可以減少渦流產(chǎn)生的內(nèi)部損耗，降低磁滯損失和渦流損失，對于維持屏蔽材料的低溫度和高效能至關(guān)重要

總體而言，MRI集成診療設(shè)備機房的電磁屏蔽設(shè)計是一項綜合性工程，需基于對電磁理論的深入理解和對屏蔽材料性能的精確評估進行。通過對材料電導率、磁導率、損耗參數(shù)的詳細分析，并考慮實際應(yīng)用中的具體需求和限制，可以設(shè)計出高效且經(jīng)濟的屏蔽解決方案。

3放射診療設(shè)備的屏蔽原理和常用材料

放射診療設(shè)備的輻射防護依賴于一系列高效的屏蔽措施，以保護操作人員和患者免受輻射的影響。屏蔽的基本原理在于屏蔽材料對射線的吸收和散射作用，這些作用導致輻射強度的衰減，從而顯著降低輻射穿透的可能性。主要的屏蔽材料包括鉛、混凝土、鎢和鉛玻璃，這些材料針對不同能量的輻射提供有效的防護。它們利用高密度特性來阻擋或吸收輻射，有效減少輻射的傳播，

放射診療設(shè)備的輻射防護是通過一系列高效的屏蔽措施來保護操作人員和患者免受輻射的影響。屏蔽的原理基于屏蔽材料對射線的吸收、散射、衰減和隔離，從而阻止輻射穿透。主要屏蔽材料包括鉛、混凝土、鎢和鉛玻璃，每種材料都針對特定類型的輻射提供有效的防護。這些材料通過其高密度阻擋或吸收輻射，有效減少輻射的傳播[32-35] 。

此外，輻射防護領(lǐng)域正在研究和開發(fā)一些新型屏蔽材料以優(yōu)化輻射屏蔽性能[36-37]。例如，輕質(zhì)的聚合物基復(fù)合材料和金屬氧化物納米材料，旨在通過提高屏蔽效率，同時減輕結(jié)構(gòu)重量，提升操作效率[24]。此外，仿生學設(shè)計和智能化技術(shù)的應(yīng)用正逐步實現(xiàn)屏蔽結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[38-39]，通過模仿自然界生物的結(jié)構(gòu)來提高材料的強度和韌性。環(huán)保型屏蔽材料的研究也在進行中，以減少傳統(tǒng)屏蔽材料可能對環(huán)境造成的負面影響[40] 。

4 總結(jié)與展望

MRI技術(shù)與SPECT、PET等成像技術(shù)的集成，以及與放療設(shè)備如線性加速器（Linac）和質(zhì)子治療加速器的結(jié)合，已逐漸成為臨床實踐中的重要工具。這些集成設(shè)備，如SPECT-MRI、PET-MRI和MRiPT，不僅融合了各自技術(shù)的優(yōu)勢，還實現(xiàn)了技術(shù)間的互補，為疾病的診斷和治療提供了更全面和精確的手段。隨著這些集成技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對屏蔽技術(shù)的要求也日益增高，不僅需要處理磁場的屏蔽，還需涵蓋輻射防護，尤其是在涉及高能粒子治療的技術(shù)如MRiPT中，對屏蔽材料和設(shè)計的要求更為復(fù)雜和嚴格。

不同成像技術(shù)與放療設(shè)備結(jié)合的屏蔽設(shè)計及防護措施存在顯著差異。MRI系統(tǒng)主要考慮磁屏蔽，防止電磁干擾；而MRI與Linac或質(zhì)子治療加速器集成的系統(tǒng)，需同時兼顧磁屏蔽和輻射屏蔽，使用鉛、混凝土、鎢等材料，屏蔽厚度和效能更高，如單純的MRI通常使用的銅、鋁等材料的屏蔽厚度僅為 5mm ，屏蔽效能為 30～40dB ;而MRI-Linac的屏蔽效能 40～60dB 。防護措施方面，患者在接受治療時應(yīng)佩戴防護用品，醫(yī)護人員需穿戴防護裝備并進行劑量監(jiān)測，環(huán)境上要合理規(guī)劃機房布局并設(shè)置警示標志和監(jiān)測設(shè)備。

本文主要圍繞MRI集成設(shè)備中的自身屏蔽分析，介紹了MRI和所要集成設(shè)備的可能的相互影響，隨后分別介紹了MRI和所集成設(shè)備的屏蔽要求和設(shè)計等，單獨的 MRI只需要通過銅和鋁等屏蔽材料進行磁屏蔽，而MRI集成的診療設(shè)備，就需要銅、混凝土、鉛（玻璃）及鎢等屏蔽材料，不僅要進行磁屏蔽而且還要進行輻射屏蔽。這種集成后的設(shè)備并不是磁屏蔽加輻射屏蔽這種簡單的“ ¹⁺ 1\"模式，既要考慮到設(shè)備自身屏蔽，又要注重環(huán)境屏蔽。

未來，隨著MRI集成技術(shù)的持續(xù)進步，對屏蔽技術(shù)的要求將更為苛刻，需要在不顯著增加成本的同時，有效實現(xiàn)磁場和輻射的屏蔽，并確保這些技術(shù)的協(xié)調(diào)處理，既不影響磁場屏蔽的效果，也不降低輻射防護的效能。這將依賴于屏蔽材料和設(shè)計方面的持續(xù)創(chuàng)新和技術(shù)突破。期待材料科學的進步帶來新型屏蔽材料，這些材料不僅應(yīng)具有高電導率，適用于磁場屏蔽，同時也能有效用于輻射防護，尤其是在處理復(fù)合場輻射時。

隨著新型MRI集成設(shè)備的推出，相應(yīng)的國家和行業(yè)標準也需要及時更新和完善，以確保這些技術(shù)的安全性和有效性。標準的制定應(yīng)充分考慮到新材料、新技術(shù)的特性，以及在臨床應(yīng)用中可能遇到的挑戰(zhàn)。

綜上所述，MRI及其集成技術(shù)的未來發(fā)展充滿機遇與挑戰(zhàn)。通過跨學科合作，特別是在材料科學、電磁學和醫(yī)學物理學等領(lǐng)域的進展，將為MRI集成技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用提供強大支撐，最終實現(xiàn)更高效、更安全的診療方法，惠及更廣泛的患者群體。

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Abstract：Magnetic Resonance Imaging （MRI） is a pivotal technology in modern medical diagnostics，renowned for its high resolution and excellent contrast of soft tissues.In recent years，the integration of MRI technology with other diagnostic and therapeutic devices，such as Positron Emission Tomography（PET），Single Photon Emission Computed Tomography（SPECT），Electrocardiography（ECG），Electroencephalography（EEG）， and radiation therapy equipment like linear accelerators and proton therapy accelerators，has significantly enhanced the precision and eficiency of diagnostics and treatments.This paper discusses the shielding design andrequirements for these integrated technologies，including technical aspects of magnetic and radiation shielding，as wellas methodological approaches for boththe equipment’s own shielding and the shielding of he room environment.This paper also introduces the shielding requirements and influencing factors for the integrated equipment itself，and also proposes that the shielding technology for integrated equipment is not a simple “ 1+1 ” model of magnetic shielding plus radiation shielding，but rather some certain synergistic effect involved.

Key words： integrated technologies;MRI; shield design;diagnostic devices