CN102652027B

CN102652027B - 具有射频屏蔽或外罩的磁共振兼容电子装置

Info

Publication number: CN102652027B
Application number: CN201080055496.2A
Authority: CN
Inventors: E·M·雷伊; R·A·哈韦尔
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2030-11-18
Also published as: JP5782450B2; US9488703B2; WO2011070466A1; CN102652027A; EP2509679A1; JP2013513410A; RU2555380C2; BR112012013699A2; US20120242339A1; RU2012128785A

Abstract

一种设备包括电子装置或部件（40）以及被布置成屏蔽所述电子装置或部件的射频屏蔽。所述设备被设置在由磁共振扫描器生成的射频（Bi）场以及由磁共振扫描器（10）生成的时变磁场梯度中。所述射频屏蔽包括具有抑制由时变磁场梯度诱发的所述射频屏蔽的振动的开口的导电片或层。

Description

具有射频屏蔽或外罩的磁共振兼容电子装置

技术领域

下文涉及磁共振领域、电子器件领域以及相关领域。

背景技术

经历诸如磁共振（MR）成像流程的MR流程的受检者被定位在MR扫描器的膛的内部。在该膛中生成静（B₀）磁场，并以磁共振频率施加射频场（B₁）脉冲以激励受检者体内的质子。MR频率取决于感兴趣核素以及磁场强度。作为两个范例，对于¹H激励，MR频率分别在1.5T为64MHz，而在3.0T为128MHz。施加磁场梯度以在空间上限制MR激励的区域，从而对磁共振的相位和/或频率进行空间编码，以压制磁共振，或者用于其他目的。磁场梯度是时变的，但所在的频率大大低于B₁场射频。

在MR扫描器膛内部或附近操作的电子装置，诸如患者监测器，暴露于静B₀磁场、B₁射频场以及时变磁场梯度。静（B₀）磁场是恒定生成的，而B₁射频场和磁场梯度仅在成像或其他MR数据采集序列期间生成。

面对由B₁场和磁场梯度引起的干扰，MR兼容的电子装置必须在指定的规格之内操作。通过采用诸如将板上屏蔽焊接到印刷电路板上来屏蔽敏感的电子器件的射频屏蔽技术、使用罩住整个组件的外罩等，能够减小B₁射频场的影响。射频屏蔽的另一益处在于其能减轻源自电子装置的射频干扰。

时变磁场梯度呈现为在导体中感生涡流的快速变化的磁场。这些涡流与MR膛中的B₀和其他电磁场相互作用并且能够引起导体机械振动。涡流还能够在导体中诱发发热。

下文提供了新的经改进的设备和方法，其克服了上述问题和其他问题。

发明内容

根据一个公开的方面，一种设备包括电子装置或部件以及被布置成屏蔽所述电子装置或部件的射频屏蔽。所述设备被设置在由磁共振扫描器生成的射频（B₁）场以及由磁共振扫描器生成的时变磁场梯度中。所述射频屏蔽包括具有抑制由时变磁场梯度诱发的射频屏蔽的振动的开口的导电片或层结构。

根据另一公开的方面，一种设备包括电子装置或部件以及罩住所述电子装置或部件的外罩。所述设备被设置在由磁共振扫描器生成的射频（B₁）场以及由磁共振扫描器生成的时变磁场梯度中。所述外罩包括具有抑制由时变磁场梯度诱发的外罩的振动的开口的导电片或层。

根据另一公开的方面，一种磁共振系统包括：磁共振扫描器，所述磁共振扫描器包括在检查区域中生成静（B₀）磁场的主磁体、用于在检查区域之内的选定方向上叠加时变磁场梯度的磁场梯度绕组以及用于在检查区域中生成射频（B₁）场的一个或多个射频线圈；以及在前两段中的任一段中所述的设备，所述设备被设置在由磁共振扫描器生成的射频（B₁）场以及由磁共振扫描器生成的时变磁场梯度中。

一个优点在于提供在MR环境中不易受到机械振动影响的电子部件。

另一优点在于实现在MR环境中减小由于涡流而导致的导体发热。

另一优点在于实现在MR环境中减小对于由磁共振系统生成的场的反作用磁场。

另一优点在于提供更为有效的射频（RF）屏蔽，以及具有更为有效的RF屏蔽的电子装置，以供在MR环境中使用。

本领域技术人员在阅读和理解下文的详细描述的基础上将明白进一步的优点。

附图说明

图1概要图示了包括具有膛的MR扫描器以及设置在所述膛中的电子装置或部件的磁共振（MR）系统，其中，电子装置包括如本文所公开的射频屏蔽。图1A概要图示了电子装置或部件的放大视图。

图2概要图示了包括抑制由时变磁场梯度诱发的材料的振动的开口的导电材料的一个实施例，其中，所述材料包括导电网格（在图2中以顶视图示出）。

图3、4和5概要示出了包括抑制由时变磁场梯度诱发的层或片的振动的开口的三个导电层或片的顶视图。

图6概要示出了由导电元件构造的导电层或片的顶视图，所述导电元件由小的互连的导电条接合，从而界定了抑制由时变磁场梯度诱发的所述层或片的振动的开口。

图7概要示出了由分散于电绝缘粘合剂中的通常接触的导电颗粒构造的导电层或片的顶视图，其中，颗粒之间的间隙界定了抑制由时变磁场梯度诱发的所述层或片的振动的开口。

图8概要示出了由交织的导电纤维构造的导电层或片的顶视图，其中，交织的纤维之间的间隙界定了抑制由时变磁场梯度诱发的所述层或片的振动的开口。

图9图示了由绝缘层或片分隔开的导电材料的两个层或片（例如，图2-6的导电层或片中的任意的）的侧视图，所述导电材料包括抑制由时变磁场梯度诱发的所述层或片的振动的开口。

图10和11绘制了如本文所述的一些实验结果。

具体实施方式

参考图1，磁共振（MR）系统包括MR扫描器10，MR扫描器10包括通常为圆柱形或环形的外壳12，外壳12在图1中以局部截面示出，从而概要揭示选定的内部部件。外壳12界定了与外壳12的圆柱体或环形轴16同轴的膛14。在膛14中接收受检者以进行成像。由螺旋导电绕组定义的主磁体20至少在膛14的检查区域之内生成场方向与圆柱体或环形轴大致平行的静（B₀）磁场。主磁体20的绕组可以是电阻性的或超导的；在后者的情况下，绕组通常被设置在包含氦或另一种适当的低温流体的低温保持器（未示出）中。电阻性绕组可以具有例如采用水、受迫空气或液氮作为冷却流体的冷却装置。

外壳12还包含或支撑多个磁场梯度绕组22，用于在膛14的检查区域之内的选定方向上叠加磁场梯度。该磁场梯度通常是时变的。作为说明性范例，可以在磁共振激励期间沿着膛的轴16施加切片选择性磁场梯度以选择轴向切片，随后为静止期，在此期间横穿所述轴向切片施加相位编码磁场梯度，随后为读取期，在此期间在横穿轴16和相位编码方向两者的方向上施加频率编码磁场梯度。在诸如平面回波成像（EPI）的更为复杂的序列中，通过有选择地激活梯度绕组22可以施加正弦或其他快速时变磁场梯度。

通过以磁共振频率（例如，在3.0T场中针对¹H激励为128MHz）将射频（B₁）脉冲施加到一个或多个射频线圈24来生成磁共振激励。在说明性实施例中，射频线圈24是布置在与轴16同轴的外壳12上或外壳12中的诸如鸟笼线圈或横向电磁（TEM）线圈的“全身”体积线圈。更具体而言，诸如头部线圈、肢体线圈、表面线圈等的局部线圈或线圈阵列被用于MR激励。可以使用与用于激励的线圈相同的一个或多个线圈24来执行MR读取，或者可以由一个或多个不同的射频线圈（未示出）来执行MR读取。

在说明性实施例中，患者装载系统包括被布置在外壳12的一端的卧塌30，使得床32上的患者能够被转移到MR扫描器10的膛14中。卧塌30可以被永久安装在图示的位置中，或者可以是具有轮子、滚轴等的移动卧塌，以使得受检者能够被装载并且然后随MR扫描器10进行移动和停靠。MR系统还包括适当的MR电子器件模块34，其用于控制MR扫描器10以采集MR数据并处理所采集的MR数据。例如，MR电子器件模块34可以包括图像重建模块。计算机36提供与MR系统的用户界面。并且还可以将MR电子器件模块34中的一些或全部实现为在计算机36上运行的软件。

说明性的MR扫描器10是一范例。本文所公开方法用于通过使用包括抑制由时变磁场梯度诱发的导电体的振动的开口的导电体材料来减小导电体与时变磁场梯度的有害的交互作用，所述方法通常适于与任何类型的MR扫描器一起使用，包括图示的水平圆柱形膛扫描器10或开放式MR扫描器、垂直磁体MR扫描器等。

继续参考图1，概要示出了电子装置或部件40。电子装置或部件40例如可以是诸如生理监测器（心电图仪、呼吸监测器、血压监测器等）的患者监测装置。在MR扫描器10的膛14中设置说明性的电子装置或部件40；然而，被配置成用于在磁共振系统中使用的电子装置或部件可以被设置在膛14的外部（或者，更一般而言，在开放式MR扫描器等的情况下，在MR检查区域外部），但足够接近膛或MR检查区域以受到射频（B₁）场以及磁场梯度的影响。

继续参考图1，并进一步参考示出了电子装置或部件40的放大视图的图1A，所述电子装置包括一个或多个电子元件42，诸如集成电路（IC）芯片，传感器装置，诸如电阻器、电容器或电感器的无源部件等。在说明性实施例中，两个代表性的电子元件42被设置在电路板44上并通过电路板 44的导电轨线（未示出）以电子方式互相连接。电子装置或部件40任选地可以包括其他元件（未示出），诸如与MR电子器件模块34的一个或多个有线连接或位于膛14外部的其他部件、或者用于提供与MR电子器件模块34的无线连接的射频收发器等。

继续参考图1和1A，还提供射频屏蔽以抑制B₁射频场对电子装置或部件40的有害影响，以及抑制源自电子装置或部件40的射频（RF）干扰。说明性的射频屏蔽包括电路板44的导电地平面50以及围绕电子装置或部件40的导电外罩52。应当注意的是，导电外罩52通常是部分或整体光学不透明的（例如，整体或部分由金属制成），但以虚像的形式示出（即，透明）以便示出所包含的电子装置或部件40以及地平面50。在一些实施例中，射频屏蔽可以仅包括地平面50（省略外罩52）。在一些实施例中，射频屏蔽可以仅包括外罩52（省略地平面50）。在一些实施例中，地平面50和外罩52可以是单一组合元件，例如，通过使外罩的一侧也用作电路板的地平面。外罩52（如果包括的话）通常可以是板上外罩、箱式（coffin-style）式外罩等。

一般而言，导电射频屏蔽易于受到由梯度线圈22生成的磁场梯度引起的振动以及涡流诱发的发热的影响。当在射频屏蔽中感生涡流以引起振动时，小的电压或电流经由环形和偶极子天线效应被引入到包含低幅度（例如，微伏到毫伏水平）生理波形数据的电路板的电轨线中。当有时也被用作射频屏蔽材料的诸如铜的抗磁材料被放置在由时变磁场梯度产生的变化磁场的路径中时，生成能够引起测量误差或其他电子装置误差的小干扰电压/电流。

本文公开了在同时抑制涡流及其随之诸如机械振动和信号误差的效应时，通过使用一个或多个网格（参见图2）、或穿孔金属板（参见图3-5）、或由小的互连的导电条接合的导电元件构造的导电片（参见图6）、或分散于电绝缘粘合剂中的通常接触的导电颗粒的片或层（参见图7）、或交织的导电纤维的片或层（参见图8）或者其他布置构造射频屏蔽50、52，来提供射频屏蔽50、52，其中，射频屏蔽50、52包括具有抑制由时变磁场梯度诱发的射频屏蔽的振动的开口的导电材料。

然而，包括这样的开口通常能够被预期降低射频屏蔽在阻碍B₁场和/ 或遏制源自电子装置的RF干扰方面的效力。本文还公开了使用由绝缘体（参见图9）间隔开的导电片或层（诸如在图2-8中所示的那些）的一堆薄片。本文还示出了（参见图10和11）由单个绝缘层（参见图9）绝缘的仅两个网格层（参见图2）能够在抑制梯度诱发的振动的同时提供有效的屏蔽。射频屏蔽50、52适于由铜构造，或者任选地可以由诸如镍银合金（例如，NiAg）的较低导电率的材料构造。较低导电率的材料（与铜相比）表现出对涡流较高的电阻率。因此，在减小机械振动和涡流的其他不利效应，由此减小用于在MR膛中使用的患者监测器的测量误差和波形失真的同时，提供有效的射频屏蔽。

本文公开了用于通过使用包括抑制由时变磁场梯度诱发的导电体的振动的开口的导电材料来减小导电体与时变磁场梯度的不利的交互作用的技术。这些技术适于用于射频屏蔽，或者通常用于导电外罩中，或者用于需要将导电体放置在MR膛中或MR膛附近的其他应用。

参考图2-8，描述了包括抑制由时变磁场梯度诱发的射频屏蔽50、52的振动的开口的导电材料的片或层的各种实施例。

图2示出了包括导电网格的导电片或层60的顶视图。在这一实施例中，网格的开口界定了抑制由时变磁场梯度诱发的网格60的振动的开口。

图3示出了导电片或层70的顶视图，其中，以规则的图案形成方形开口72，从而界定了抑制由时变磁场梯度诱发的层或片70的振动的开口。导电片或层70例如可以是金属箔，优选使用自动化机械向所述金属箔中冲压方形开口72。开口可以具有方形以外的诸如圆形、六角形等的其他形状。

图4示出了导电片或层80的顶视图，其中，以无规则或随机图案形成圆形开口82，从而界定了抑制由时变磁场梯度诱发的层或片80的振动的开口。图4图示了用于抑制振动的开口无需规则地间隔开。

图5示出了导电片或层90的顶视图，其中，以无规则或随机图案形成槽92，从而界定了抑制由时变磁场梯度诱发的层或片90的振动的开口。图5图示了用于抑制振动的开口无需为正方形，而更可能具有大的长宽比。

图3-5的方法采用连续的金属片，例如，NiAg，而非如图2的实施例中的网格。通常，针对图3-5的方法的材料成本低于针对导电网格60的材料成本，并且还使其自身有助于更好加工和形成，以机械实施为诸如说明性的外罩52的特定射频屏蔽结构或者诸如被结合到电路板44的地平面50的结合结构。

图6示出了导电元件102构造的导电片或层100的顶视图，所述导电元件102由小的互连的导电条104接合，从而界定了抑制由时变磁场梯度诱发的层或片100的振动的开口。

图7示出了由分散于电绝缘粘合剂114中的通常接触的导电颗粒112构造的导电片或层110的顶视图，其中，颗粒112之间的间隙界定了抑制由时变磁场梯度诱发的层或片的振动的开口。

图8示出了由交织的导电纤维122构造的导电片或层120的顶视图，其中，交织的纤维122之间的间隙界定了抑制由时变磁场梯度诱发的层或片的振动的开口。任选地，纤维122可以被嵌入或被分散于电绝缘粘结剂124（以虚像的形式示出）中。

继续参考图2-8，抑制由时变磁场梯度诱发的层或片的振动的开口具有将涡流分解为小环流的效果，以便驱散在屏蔽中吸收的梯度能量并减小涡流诱发的振动。选择开口的（平均）尺寸以抑制振动，同时继续提供可接受的射频屏蔽。如果开口过大，射频屏蔽被折衷；相反，如果开口太小则振动抑制被折衷。

在一些实施例中，射频屏蔽50、52的开口的尺寸被设定为小于自由空间（free-space）磁共振波长的二十分之一，这确保在磁共振频率下的有效射频屏蔽。具有尺寸被设定为小于自由空间磁共振波长的二十分之一的开口，射频屏蔽50、52预期有效地将从电子装置或部件辐射的射频能量减小至少80分贝。自由空间波长为c/f，其中，c=3.00×10¹⁰cm/sec是光在自由空间中的速度，而f是磁共振频率。作为范例，针对¹H激励并且B₀=1.5T，MR频率为64MHz，自由空间波长的二十分之一为大约23cm。针对¹H激励并且B₀=3.0T，MR频率为128MHz，自由空间波长的二十分之一为大约12cm。这对（平均）开口尺寸设置了上限。

对射频屏蔽50、52的另一约束是射频屏蔽应当具有大于在导电材料中磁共振波长的趋肤深度的十倍的最小尺寸。这一约束影响导电层或片的最小厚度，并且也间接影响在开口尺寸上的上限，只要不使得开口过大，在开口之间的剩余导电材料（平均）小于在导电材料中磁共振波长的趋肤深度的十倍。

另一方面，如果使得开口平均过小，那么它们将不能有效地抑制涡流诱发的振动。通常，期望将时变磁场梯度诱发的射频屏蔽的振动减小至少3分贝。有效提供期望的3分贝振动减小的开口的最小平均尺寸容易通过实验方式确定。

在一些实施例中，（i）维持有效射频屏蔽（这趋向较小的平均开口）以及（ii）减小梯度诱发的振动（这驱向较大的平均开口）的相反约束可能难以利用诸如在图2-8中所示的那些的单片或单层导电材料同时满足。

参考图9，在这样的情况中，想到了采用多层或多片导电材料。图9示出了其中两个导电层或片60的实施例，包括如图2中所示的网格的每个导电层或片由介电层130间隔开。在图9的实施例中，两个导电层或片60可以由如其他片或层实施例70、80、90、100、110、120中的任何一个中所示的包括抑制由时变磁场梯度诱发的射频屏蔽的振动的开口的两个导电层或片来替代。此外，虽然图示了由介电层130分隔开的两个导电层或片60，这能够扩展到具有两个间隔介电层的三个导电层或片，或者具有三个间隔介电层的四个导电层或片，或者更一般地扩展到由（N-1）个间隔介电层分隔开的N个导电层或片（其中，N>1）。多个片的有利效果包括：（1）进一步消散在多个片或层之间的磁场梯度；（2）相对于组成的（constituent）N个导电层或片的组合厚度的单一连续的层或片，提高电阻，较高的电阻减小涡流；以及（3）相对于单个片提供改善的射频屏蔽。

通常，如图9中所示的N=2被预期是充分的。与单层效力（SE_单）相比，针对双层（SE_双）的屏蔽效力（SE）的改善近似为ΔSE=SE_双-SE_单=20log₁₀[(π·l_空隙/λ₀)/|η/Z_ω|]，其中，l_空隙是介电层130的厚度（在这一范例中，其被假设为空气；换言之，在图9的实施例中，l_空隙是两个导电层或片60之间的间距），Z_ω是导电层或片60的网格线的单位长度的内部阻抗，λ₀是自由空间磁共振波长，而η是导电层或片60的固有阻抗。参见Losito在Progress in Electromagnetics Research Symposium，Cambridge，MA，USA July 2-6,2008上的“An Analytical Characterization of Metal Foams for Shielding Applications”一文。

图10和11绘制了针对图2的实施例，即，使用单层网格60的一些实验结果。在近场中使用测试设备测试在1.5T（图10）以及3.0T（图11）的辐射发射以针对工作在膛14内部的装置确定可接受的发射水平。图10和11的曲线图示出了在临界磁频率下使用噪声发生器电路针对不同的铜网格尺寸（20、40、80和200OPI）以及针对实心Cu和NiAg层的辐射发射水平。对于网格结构的近场发射性能，随着口径尺寸的变大以及线直径的减小，存在变小的结果。图11示出了在3.0T存在最佳条件，其中，在临界频率下网格能够提供比实心结构更多的插入损耗（衰减）。在3.0T，80-规格的网格看来是最佳的。

执行对屏蔽原型心电图仪（ECG）模块的测试，所述模块已经使用如图9所示的由介电层分隔开的两层80-规格的网格进行屏蔽。结果显示，在1.5T频率下，实心屏蔽的性能好于80-规格的网格大约5分贝，但仍然在可接受的限制内（低于-145dB）。在3.0T，图9的双层网格结构与实心屏蔽相比提供大约10分贝的更多的衰减。

本申请已经描述了一个或多个优选实施例。在阅读和理解上述详细说明的基础上，可以做出修改和变更。旨在将本申请解读为包括所有这样的修改和变更，只要其涵盖在权利要求及与其等价的范围之内。

Claims

1.一种设备，包括：

包括电路板(44)的电子装置或部件(40、42、44)；以及

射频屏蔽(50、52)，其被布置成屏蔽所述电子装置或部件，所述射频屏蔽包括所述电路板的地平面(50)；

其中，所述设备被设置在磁共振扫描器(10)的膛(14)中由所述磁共振扫描器生成的射频(B₁)场以及由所述磁共振扫描器生成的时变磁场梯度中；

其中，所述电路板的所述地平面包括具有抑制由时变磁场梯度诱发的所述地平面的振动的开口(72、82、92)的导电片或层(60、70、80、90、100、110、120)；并且

其中，所述地平面(50)的所述导电片或层(60、70、80、90、100、110、120)的所述开口(72、82、92)的尺寸被设定为小于自由空间磁共振波长的二十分之一。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述射频屏蔽(50、52)还包括：

外罩(52)，其充分罩住所述电子装置或部件(40、42、44)。

3.根据权利要求1-2中的任一项所述的设备，其中，所述地平面(50)的所述导电片或层(60)包括导电网格，所述网格的开口界定了抑制由时变磁场梯度诱发的所述地平面的振动的所述开口。

4.根据权利要求1-2中的任一项所述的设备，其中，所述地平面(50)的所述导电片或层(70、80、90)包括金属片或层，所述金属片或层具有形成于其中的抑制由时变磁场梯度诱发的所述地平面的振动的所述开口(72、82、92)。

5.根据权利要求1-2中的任一项所述的设备，其中，所述地平面(50)的所述导电片或层(100)包括由小的互连的导电条(104)接合的导电元件(102)，从而界定了抑制由时变磁场梯度诱发的所述地平面的振动的所述开口。

6.根据权利要求1-2中的任一项所述的设备，其中，所述地平面(50)的所述导电片或层(110)包括分散于电绝缘粘合剂(114)中的导电颗粒(112)，所述颗粒之间的间隙界定了抑制由时变磁场梯度诱发的所述地平面的振动的所述开口。

7.根据权利要求1-2中的任一项所述的设备，其中，所述地平面(50)的所述导电片或层(120)包括交织的导电纤维(122)，所述纤维之间的间隙界定了抑制由时变磁场梯度诱发的所述地平面的振动的所述开口。

8.根据权利要求1-2中的任一项所述的设备，其中，所述地平面(50)的所述导电片或层(60、70、80、90、100、110、120)具有大于在所述导电片或层的导电材料中所述磁共振波长的趋肤深度的十倍的最小厚度。

9.根据权利要求1-2中的任一项所述的设备，其中，所述地平面(50)的所述导电片或层(60、70、80、90、100、110、120)包括由一个或多个介电层(130)间隔开的多个平行组成的导电片或层(60)。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述地平面(50)的所述导电片或层(60、70、80、90、100、110、120)包括由单个介电层(130)间隔开的两个平行组成的导电片或层(60)。

11.根据权利要求1-2中的任一项所述的设备，其中，所述地平面(50)将从所述电子装置或部件(40、42、44)辐射的射频能量有效地减小至少80分贝。

12.根据权利要求1-2中的任一项所述的设备，其中，所述地平面(50)的所述导电片或层(60、70、80、90、100、110、120)的所述开口(72、82、92)将由时变磁场梯度诱发的所述地平面的振动有效地减小至少3分贝。

13.一种磁共振系统，包括：

磁共振扫描器(10)，其包括在所述磁共振扫描器的膛(14)中的检查区域中生成静(B₀)磁场的主磁体(20)、用于在所述检查区域之内的选定方向上叠加时变磁场梯度的磁场梯度绕组(22)以及用于在所述检查区域中生成射频(B₁)场的一个或多个射频线圈(24)；以及

根据权利要求1-12中的任一项所述的设备，其被设置在所述磁共振扫描器的所述膛中由所述磁共振扫描器生成的所述射频(B₁)场以及由所述磁共振扫描器生成的所述时变磁场梯度中。