超導磁共振機房的磁干擾及屏蔽分析

伍子英 蔡名金

隨著醫療科學技術的快速發展，大型醫療設備裝機量逐年上升，為提高醫院的診療和科研水平，磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)系統的裝機量也越來越多，而機房磁干擾評估及選址合理性，直接影響到MRI系統安裝使用效果，關系到MRI系統的正常使用。為此，本研究就機房工程建設多年的實踐經驗，結合MRI系統安裝中的技術要求，闡述對機房環境的選址及場地位置的選擇。

1 核磁共振機房選址

低壓大電流的干擾源近場以磁場為主，根據其具體特點選址時應充分考慮磁體發出的磁力線及外來磁干擾影響，需考慮MRI系統所在的等中心點位置在運行中所受外部干擾而影響磁場的均勻性，并保證人員的安全和其他敏感設備的功能不受磁場的影響，充分兼顧到患者和工作人員的安全，同時兼顧運輸通道及設備吊裝空間[1]。各類磁體重量為4～10 t不等，在招標采購結果及商務合同未最終確定以前，存有不確定性[2]。磁體擺放地面承重可能達到10 t以上，并需同時對磁體地面、樓層整體結構應進行承重分析和風險評估(如圖1所示)。

圖1 磁力線示意圖

2 核磁共振機房外部環境影響

MRI系統對外界磁場的穩定性較敏感，磁體的強磁場與周圍環境中的大型移動金屬物體可產生相互影響，機房及周邊的鐵磁物質和外布磁場會影響中心磁場的均勻度。雖然采用技術手段平衡來影響以保持中心磁場的均勻度，而勻場所能平衡的外部影響是有一定限度的，場地附近的變壓器、電機等電感設備不定時通過的電流產生磁場會影響圖像質量，要預防通過勻場無法消除磁場不均勻性的狀況發生。

根據實際情況結合各綜合因素進行場地布局設計，整合論證方案進行優化。根據計劃擺放擬出草圖，尤其注意自磁體中心點發出的5高斯線，尤其對心臟起搏器等可能受到的干擾，裝有心臟起搏器、神經激勵器、胰島素泵或其他生物激勵器不能進入第5高斯線圈內，要按磁屏蔽及射頻屏蔽的要求加以周密考慮[3]；失超管務必對排放峰值、管道走向尺寸認真評估，同時兼顧水冷機、精密空調以及醫生辦公室、更衣室、候診和登記區域的布局(如圖2所示)。

由于左側為院內車道，通過2個方案比較，磁體長軸(Z軸)與道路走向平行，予磁屏蔽及射頻屏蔽措施后可達使用要求，選擇該方案(如圖3所示)。

圖2 行車道垂直于磁體長軸高斯線分布俯視圖

圖3 行車道平行于磁體長軸高斯線分布俯視圖

3 核磁共振機房內部環境影響

3.1 磁場靜態干擾

在磁體下方布局時應考慮，鐵梁、鋼筋水泥和磁共振檢查室的地板中不宜有超過一定限量的鐵磁性物質，沿磁體中軸線兩側各3 m的范圍內，距磁體中心Z軸1250 mm以內，地板內所含的均勻分布鐵磁性物質(如鋼筋)不能超過25 kg/m2(如圖4所示)。

圖4 磁體高斯線分布側視圖

非均勻的鐵磁性物質(如鋼梁)，如其長軸方向與磁體中心軸相互垂直，必須距離磁體中心1250 mm以外；其他角度的情況下，必須距離磁體中心1600 mm以外。體積和重量較大的鐵制結構必須離磁體等中心至少2.5 m以上，以避免無法通過勻場來消除磁場的不均勻。由于鐵磁性物質的磁體可感應出很強的感應磁場，因此鐵磁性物質不宜用于檢查室內。如果鐵磁性物質必須被使用，則必須被放置在距離磁體等中心至少2.5 m遠的地方，以免對磁場產生影響。室內所有電線穿管都需采用非磁性線管，所有接入檢查室的電線和機械連接及管道等，都必須通過射頻過濾器或波導管過濾；為了避免引入外來的射頻噪聲，管道穿過波導管應為不導電段[4]。

3.2 水管水槽及高斯線影響

(1)避免水管及水槽等從檢查室的房頂通過，以防止有可能發生水泄漏到射頻屏蔽上，并探明掃描室下面，尤其磁體下應避免有管道經過，并且可承重。

(2)若附近有磁共振設備，要確保相鄰磁共振設備的第3高斯線無交叉[5]。

4 核磁共振機房外部環境影響

4.1 磁場動態干擾

基于磁場的穩定性，不定時電流流過在磁體附近的動力電線，變壓器或電動馬達都會產生影響，磁體的強磁場與周圍設備會產生相互影響，為不使此類物體對主磁場產生較大影響，在主磁場變化允許的范圍內，不同的物體對應于到磁體等中心，為避免可能存在的干擾，物體到磁體等中心的最小距離見表1。

表1 物體到磁體等中心的最小距離(m)

4.2 地鐵與車道影響

(1)遇有地鐵或地鐵規劃項目的場地，必須保證與地鐵有足夠的距離，地鐵列車通過密度為平均3 min通過1列，因此磁體長軸(Z軸)必須與地鐵行走方向平行，最大限度減少移動金屬對靜磁場的干擾[5]。

(2)如機房與車道無法達到最小距離，應考慮磁體長軸(Z軸)與道路走向平行，加以射頻屏蔽和磁屏蔽措施達到使用要求。

5 核磁共振機房的屏蔽

通過各種屏蔽體吸收或阻隔電磁場騷擾的侵入，限制內部能量泄漏出內部區域(主動屏蔽)防止外來的干擾能量進入某一區域(被動屏蔽)或者屏蔽體可將電磁輻射能量限制在其內部，以防止其干擾其他設備，是對直流或低頻磁場的屏蔽，屏蔽效能為10～100 MHz≥100 dB，對地絕緣性為＞3～10 kΩ[1]。

5.1 驗收標準與建造方法

(1)按照國家標準GB 12190-90“高性能屏蔽室屏蔽效能的測量方法”驗收核磁共振機房。

(2)建造方法不限于單層屏蔽、雙層屏蔽、雙層電氣隔離屏蔽、螺栓緊固、固定式、可拆卸式和焊接式[6]。

5.2 施工工藝

施工工藝分為焊接式、拼裝式兩種，屏蔽殼體用紫銅板采用銅焊或氬弧焊連接成六面體作為屏蔽層，地面用絕緣板隔離。焊接式按照現場形狀焊接而成，優點是質量好，耐久性強，施工靈活。拼裝式工藝要求現場尺寸必須準確，事先將板厚0.15 mm左右的銅板安裝在一定規格的木骨架上，在現場拼接，接口使用銅網壓縫，優點是施工簡單且工期短[4]；通過本單位先后2臺磁共振機房的工作實例予焊接式、拼裝式施工工藝對比，拼裝式工期明顯快于焊接式施工工藝。

5.3 屏蔽功能

屏蔽分為射頻屏蔽和磁屏蔽。射頻屏蔽的紫銅板作屏蔽材料屏蔽電磁波的干擾。磁屏蔽通常采用硅鋼板做屏蔽，鋼板厚度按核磁單位大小確定。①采取磁體自屏蔽措施將磁體產生的邊緣雜散磁場縮減到盡可能小的空間區域內；②可以通過增加磁體間的面積和高度，將其自然、被動地包容在磁體間內；③采用磁屏蔽的方法將其完全徹底、主動地屏蔽于磁體間內[7]。

5.4 屏蔽觀察窗

產生屏蔽效能的屏蔽觀察窗不是玻璃，而是屏蔽材料，需透光率好，屏蔽玻璃金屬絲網的十分重要，觀察窗為銅、鋁、鍍鋅鐵絲、銀絲或者鍍銀的網絲等金屬屏蔽材料，也可以選用不銹鋼網。其原理為利用電磁感應的作用進行屏蔽，電磁場在屏蔽體上所感應的渦流，達到衰減通過的能量目的，即利用屏蔽材料的導電性和磁性將電磁波反射或吸收，達到屏蔽的目的。

5.5 屏蔽門

(1)青銅指型彈簧片包框密封，單刀或雙刀密封屏蔽，無磁鎖具組成。

(2)刀插式屏蔽門和平移式屏蔽門：①刀插式屏蔽門為推拉式，現今使用最廣泛的屏蔽門，青銅指型彈片復合刀口，單刀或雙刀密封屏蔽；②平移式屏蔽門開啟過程不占屏蔽室使用空間，以壓縮空氣使氣襄充氣，使青銅簧片緊密接觸在門扇銅板上。

(3)基于MRI系統失超的可能及消防七氟丙烷氣體滅火設施的考慮，應采用推拉刀插式屏蔽門，從里往外推開，有利于緊急時疏散受檢者，平移式屏蔽門不宜選用。

6 結語

MRI系統安裝時的核磁共振機房規劃應充分考慮磁體發出的磁力線及外來磁干擾等因素影響，同時應注意高碳通導率鐵磁性屏蔽室的非線性特性[8]除對磁場干擾而采取的屏蔽措施及附屬設施等運行環境的要求外，還必須滿足病患及醫務人員的安全和舒適性的要求，大電感設備通過電流產生磁場會影響圖像質量，要預防無法通過勻場來消除磁場不均勻性的狀況發生，避免頻繁啟動的高壓、大電流設備的干擾[9-10]。對失超管安裝務必對磁體類型、氦氣量、失超時排放峰值、磁體失超管尺寸認真評估，失超管的安裝出口周圍不宜有空調進風口[11]。隨著城鎮軌道交通的發展，必須考慮遇有地鐵時與地鐵軌道有足夠的距離，磁體長軸(Z軸)必須與地鐵行走方向平行，掃描室遇道路較近時磁體長軸(Z軸)也應與道路走向平行，最大限度減少移動金屬對靜磁場的干擾。超導MRI設備機房是技術涉及面廣、多學科的綜合性很強的系統工程，因此需對磁干擾及屏蔽作認真分析，使MRI系統安裝及使用得以順利完成。

參考文獻

[1]趙海濤，陸軍，魏光全，等.超導磁共振成像系統場地設計淺析[J].醫療衛生裝備，2008，29(9)：110-111，113.

[2]劉立亞，史大鵬.高場磁共振設備安裝的一些經驗[J].中國醫療設備，2011，26(1)：80-81.

[3]李珩書.淺談磁共振成象系統的防干擾[J].建筑電氣，1995(1)：34-37.

[4]Michael F.Koskinen，林秩文.磁共振成象(MRI)工作室的設計和經濟考慮[J].國外醫學(生物醫學工程分冊)，1987，10(1)：39-42.

[5]曾鋒.醫療磁共振設備機房選址與設計分析[J].中國醫院建筑與裝備，2008(5)22-27.

[6]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.高性能屏蔽室屏蔽效能的測量方法：GB 12190-90[J].北京：中國標準出版社，2006.

[7]孫紅兵.MRI場地布局和施工準備中那些不可忽視的細節[EB/OL].(2016-08-16)[2017-5-22].http：//health.sohu.com/20160816/n464510792.shtml.

[8]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.電磁屏蔽室屏蔽效能的測量方法：GB 12190-2006[J].北京：中國標準出版社，2006.

[9]曾錦清，李建均，馮罕博.超導型MRI的安裝要求[J].中國醫療設備，2013，28(10)120-123.

[10]田維良，許開喜，朱伯光，等.3.0T高場醫用磁共振設備安裝工程方案探討[J].中國醫學裝備，2017，14(4)：149-151.

[11]孫繼光，何曉彬，步巖生.3.0T高場強核磁共振設備機房布局及施工準備[J].中國醫學裝備，2013，10(10)：53-55.