磁共振成像（MRI)集成診療設備屏蔽技術分析

中圖分類號：R143文獻標志碼：A

0 引言

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

眾多研究表明，這些集成設備通過融合MRI精確的解剖定位能力與其他設備的特定功能優勢，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系統結合了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現、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[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。這些集成技術的發展不僅極大地擴展了MRI的應用范圍，還為個體化和精準醫療提供了強有力的技術支持，被認為是放射診療技術進步的最新里程碑。

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

盡管已有研究對MRI集成設備的屏蔽技術進行了初步探討，但目前仍存在一些不足之處[10-1] 。例如，對于屏蔽材料的設計與選擇，尚未能充分兼顧磁屏蔽和輻射屏蔽的協同性，導致在實際應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集成設備自身屏蔽的影響因素，探討其屏蔽技術的協同性，并提出優化的屏蔽設計方案，以期為MRI集成設備的廣泛應用提供更加可靠的理論依據和技術支持。

1 MRI集成設備自身屏蔽的影響因素分析

1.1MRI集成設備屏蔽的重要性

在現代醫療實踐中，將多種電子診療設備與磁共振成像（MRI）系統集成是一個充滿挑戰的任務。MRI系統對電磁干擾（EMI）極為敏感，而標準的電子設備在MRI的強靜態和動態磁場中可能會受到干擾，從而影響MRI圖像的質量。例如，當PET系統與MRI系統集成時[12]，如果PET設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圖像質量受損，如圖1（左）。相反，一旦同步電纜問題得到修復，圖像質量就會恢復清晰，如圖1（右）。這表明，電磁干擾對MRI圖像的影響是顯著的，需要通過適當的屏蔽措施來控制。

此外，MRI技術的核心是利用時變低頻梯度磁場來實現圖像的空間編碼。然而，這種時變磁場會在導電元件中產生渦電流，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系統中的各類電子設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系統和集成的電子設備進行射頻屏蔽是至關重要的，這涉及到對設備和MRI掃描儀的射頻發射和接收系統進行精細調整，以確保抑制任何可能的電磁干擾。通過這種方式，可以實現電子設備與MRI系統的無縫集成，為醫生提供更全面的診療信息，同時避免干擾影響診斷結果的準確性。

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

1. 2 屏蔽材料的設計與分析

1. 2. 1 梯度磁場與空間編碼的影響

MRI技術中，空間編碼的精確性是成像質量的基石，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分不同組織的信號，為醫生提供清晰的診斷圖像。然而，梯度磁場的穩定性面臨著挑戰。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生不利影響，引發圖像偽影。這些偽影不僅降低了成像質量，還可能導致對病變的診斷誤判，對患者的治療計劃產生重大影響。

梯度磁場的偏差主要來源于兩個方面：一是外部電磁干擾，包括環境中的電磁波干擾和設備操作產生的干擾；二是內部渦電流的影響，尤其是在使用高導電性材料作為MRI設備組成部分時更為顯著。渦電流產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成像質量的影響，需要對MRI設備中的屏蔽材料進行精心設計和選擇。屏蔽材料的主要目標是最小化外部干擾的影響，同時減少內部組件對梯度磁場產生的干擾，確保空間編碼過程的準確性和可靠性。

1. 2. 2 屏蔽材料的優化設計

理想的屏蔽材料應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。據文獻[16-17]，在MHz 范圍內降低射頻透射率，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整屏蔽層的厚度實現。此外，維持低磁化率也至關重要，因為高磁化率可能降低靜態磁場的均勻性，從而導致成像失真。這種失真與渦電流感應產生的磁場不同，呈現持續穩定的性質。所有這些屏蔽參數對于需要屏蔽的MRI設備中的每個組件都是至關重要的。理想的屏蔽材料還應具有較低的磁性易感性，以防止對磁共振成像的主磁場產生扭曲，從而確保較低的磁化率和避免MRI主磁場的失真。

在各MRI的集成設備中，MRI的梯度場的強度一般約為： 100～500mT/m （對應的電場強度約為 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） ），質子束的電場強度通常較低（約為 50～100V/m ）

對于PET/MRI和SPECT/MRI設備，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探測器與正電子發射源之間設置屏蔽結構，并測量透過的 γ 光子來實現。屏蔽材料的設計是為了通過其高密度和高原子序數來有效吸收和散射 γ 射線，從而減少輻射穿透。已有研究通過槽式屏蔽技術，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狀結構，例如使用銅網或磷青銅網[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注[21-22]，并預計在梯度磁場中的透明度顯著高于銅網[23-25]，同時保持與銅網相似的低磁化率。

在電子元件的應用中，銅質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設備依賴于快速切換的梯度磁場來實現空間編碼，這些時變磁場會在導電元件中誘導產生渦電流。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設備依賴于快速切換的梯度磁場來實現空間編碼。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，誘導產生渦電流。這些渦電流沿環形路徑流動，并以多指數形式衰減[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期的磁場分布產生偏差。

1.3 患者射頻屏蔽

在磁共振成像（MRI）檢查中，患者射頻屏蔽技術的發展為保護患者敏感部位提供了新的解決方案。這項技術通過使用調諧的拾取線圈，能夠直接測量射頻場功率，并在屏蔽區域內實現高達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明顯升高，從而證明了射頻屏蔽在臨床MRI應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域，射頻功率出現了可測的增加。這一現象提示我們，屏蔽效果可能因不同的掃描設備而異，因此，對這一現象的監控和調整是必要的。為了確保射瀕引起的加熱問題得到有效控制，屏蔽體設計中的金屬線條需要被精細地包裹在屏蔽體內部。這樣的設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的熱效應。

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

2 MRI集成診療設備機房的電磁屏蔽設計

MRI基于人體組成原子在磁場作用下產生的共振現象，并釋放出電磁波信號，這些信號被設備捕捉并經計算機處理后轉化為可視化圖像。為了確保MRI設備不受外部電磁干擾，同時避免對外界設備產生干擾，MRI集成診療設備機房需要進行精密的電磁屏蔽。屏蔽設計旨在阻擋外部電磁波的侵入并限制機房內電磁波的外泄，通常通過使用導電或導磁材料包裹受保護區域來實現[10] 。

屏蔽設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，因此銅在這類應用中更為適用（具有最優的相對電導率和磁導率）。遠場屏蔽中，磁場分量的影響增大，此時磁導率成為關鍵，薄鋼板成為一個可行的選擇，其中普通碳素結構鋼用于非關鍵部位的屏蔽，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設備產生的電磁波頻率范圍廣泛，屏蔽設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用中，鋼材，尤其是硅鋼，由于其高相對磁導率 μ （可達數千至數萬），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集成診療設備機房內強烈的靜態磁場和射頻場。此外，硅鋼還可以減少渦流產生的內部損耗，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重要

總體而言，MRI集成診療設備機房的電磁屏蔽設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、損耗參數的詳細分析，并考慮實際應用中的具體需求和限制，可以設計出高效且經濟的屏蔽解決方案。

3放射診療設備的屏蔽原理和常用材料

放射診療設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，輻射防護領域正在研究和開發一些新型屏蔽材料以優化輻射屏蔽性能[36-37]。例如，輕質的聚合物基復合材料和金屬氧化物納米材料，旨在通過提高屏蔽效率，同時減輕結構重量，提升操作效率[24]。此外，仿生學設計和智能化技術的應用正逐步實現屏蔽結構的優化[38-39]，通過模仿自然界生物的結構來提高材料的強度和韌性。環保型屏蔽材料的研究也在進行中，以減少傳統屏蔽材料可能對環境造成的負面影響[40] 。

4 總結與展望

MRI技術與SPECT、PET等成像技術的集成，以及與放療設備如線性加速器（Linac）和質子治療加速器的結合，已逐漸成為臨床實踐中的重要工具。這些集成設備，如SPECT-MRI、PET-MRI和MRiPT，不僅融合了各自技術的優勢，還實現了技術間的互補，為疾病的診斷和治療提供了更全面和精確的手段。隨著這些集成技術的發展和應用，對屏蔽技術的要求也日益增高，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如MRiPT中，對屏蔽材料和設計的要求更為復雜和嚴格。

不同成像技術與放療設備結合的屏蔽設計及防護措施存在顯著差異。MRI系統主要考慮磁屏蔽，防止電磁干擾；而MRI與Linac或質子治療加速器集成的系統，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佩戴防護用品，醫護人員需穿戴防護裝備并進行劑量監測，環境上要合理規劃機房布局并設置警示標志和監測設備。

本文主要圍繞MRI集成設備中的自身屏蔽分析，介紹了MRI和所要集成設備的可能的相互影響，隨后分別介紹了MRI和所集成設備的屏蔽要求和設計等，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，既要考慮到設備自身屏蔽，又要注重環境屏蔽。

未來，隨著MRI集成技術的持續進步，對屏蔽技術的要求將更為苛刻，需要在不顯著增加成本的同時，有效實現磁場和輻射的屏蔽，并確保這些技術的協調處理，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計方面的持續創新和技術突破。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，尤其是在處理復合場輻射時。

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

綜上所述，MRI及其集成技術的未來發展充滿機遇與挑戰。通過跨學科合作，特別是在材料科學、電磁學和醫學物理學等領域的進展，將為MRI集成技術的創新和應用提供強大支撐，最終實現更高效、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