Магнитно-резонансносовместимые электрические устройства и компоненты с виброустойчивым радиочастотным экраном или корпусом
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к устройствам для магнитного резонанса. Устройство содержит электрическое устройство или компонент, включающий печатную плату, и радиочастотный экран, выполненный с возможностью экранирования электрического устройства или компонента, причем радиочастотный экран включает в себя земляную шину печатной платы. Устройство расположено в отверстии магнитно-резонансного сканера в радиочастотном (В1) поле. Земляная шина печатной платы включает в себя электропроводящий лист или слой, имеющий отверстия, подавляющие вибрацию земляной шины, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля. Магнитно-резонансная система содержит магнитно-резонансный сканер, включающий в себя основной магнит, обмотки для создания градиента магнитного поля и одну или более радиочастотных катушек для выработки радиочастотного (В1) поля в исследуемой области. Устройство расположено в отверстии магнитно-резонансного сканера. Использование изобретения позволяет улучшить эффективность работы МР-совместимого электрического устройства за счет снижения вибрации, вызванной радиочастотным полем. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 11 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к области техники магнитного резонанса, электроники и родственным областям техники.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Субъект, подвергающийся процедуре магнитно-резонансной (МР) томографии, такой как процедура формирования МР-изображения, позиционируется внутри отверстия МР-сканера. В отверстии вырабатывается статическое (В0) магнитное поле, и импульсы радиочастотного поля (В1) направляются с частотой магнитного резонанса на субъект для возбуждения протонов. Частота МР зависит от вида ядра, представляющего интерес, и интенсивности магнитного поля. Например, для возбуждения 1Н частота МР составляет 64 МГц при 1,5 Т и 128 МГц при 3,0 Т соответственно. Градиенты магнитного поля применяются для пространственного ограничения области возбуждения МР, для пространственного кодирования фазы и/или частоты магнитного резонанса, для гашения магнитного резонанса или для других целей. Градиенты магнитного поля изменяются во времени, но при частотах, по существу, ниже, чем радиочастота поля В1.
Электронные устройства, которые работают внутри или рядом с отверстием МР-сканера, такие как мониторы пациентов, подвергаются воздействию статического магнитного поля В0, радиочастотных полей В1 и изменяющегося во времени градиента магнитного поля. Статическое (В0) магнитное поле вырабатывается постоянно, тогда как радиочастотное поле В1 и градиенты магнитного поля вырабатываются только во время формирования изображения или других последовательностей получения данных MP.
MP-совместимые электронные устройства должны работать в пределах определенных спецификаций в присутствии помех, вызванных полем В1 и градиентами магнитного поля. Воздействие радиочастотного поля В1 можно уменьшить путем применения технологии радиочастотного экранирования, такой как припаивание встроенного экрана к плате с печатной схемой, для того чтобы обеспечить экранирование чувствительных электронных схем с использованием корпуса, который должен полностью закрыть монтаж или т.п. Другое преимущество радиочастотного экранирования заключается в том, что оно позволяет уменьшить радиочастотные помехи, излучаемые электронным устройством.
Изменяющиеся во времени градиенты магнитного поля представляют собой быстроизменяющееся магнитное поле, которое вызывает в проводниках вихревые токи. Эти вихревые токи взаимодействуют с полем В0 и другими магнитными полями в отверстии MP-сканера и могут привести к возникновению механической вибрации в проводниках. Вихревые токи могут также привести к нагреванию проводников.
В настоящем изобретении предложены новые и усовершенствованные устройства и способы, которые позволяют устранить вышеупомянутые и другие недостатки.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Технический результат, достигаемый за счет использования заявленной группы изобретений, заключается в улучшении эффективности работы MP-совместимого электрического устройства посредством снижения помехи (или вибрации), вызванной радиочастотным полем и градиентами магнитных полей, с помощью радиочастотного экрана.
Согласно одному раскрытому аспекту изобретения, устройство
содержит электрическое устройство или компонент и радиочастотный экран, предназначенный для экранирования электрического устройства или компонента. Устройство размещается в радиочастотном (В1) поле, которое вырабатывается магнитно-резонансным сканером, и в изменяющихся во времени градиентах магнитного поля, которые вырабатываются с помощью магнитно-резонансного сканера. Радиочастотный экран включает в себя электропроводящую листовую или слоистую структуру, имеющую отверстия, подавляющие изменяющийся во времени градиент магнитного поля, который приводит к вибрации радиочастотного экрана.
Согласно другому раскрытому аспекту изобретения, устройство содержит электрическое устройство или компонент и корпус, вмещающий в себя электрическое устройство или компонент. Устройство располагается в радиочастотном (В1) поле, которое вырабатывается с помощью магнитно-резонансного сканера, и в изменяющихся во времени градиентах магнитного поля, которые вырабатываются с помощью магнитно-резонансного сканера. Корпус включает в себя электропроводящий лист или слой, имеющий отверстия, подавляющие вибрацию корпуса, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля.
Согласно другому раскрытому аспекту изобретения, магнитно-резонансная система содержит: магнитно-резонансный сканер, включающий в себя основной магнит, вырабатывающий статическое (В0) магнитное поле в исследуемой области, обмотки для создания градиента магнитного поля с целью наложения изменяющихся во времени градиентов магнитного поля в выбранных направлениях в пределах исследуемой области и одну или более радиочастотных катушек для выработки радиочастотного (В1) поля в исследуемой области; и устройство, как изложено в любом одном из двух предыдущих параграфов, расположенное в радиочастотном (В1) поле, которое вырабатывается магнитно-резонансным сканером, и в изменяющихся во времени градиентах магнитного поля, которые вырабатываются с помощью магнитно-резонансного сканера.
Одно преимущество состоит в выполнении электронных компонентов, которые менее чувствительны к механической вибрации в МР-среде.
Другое преимущество состоит в обеспечении пониженного нагревания проводников из-за вихревых токов в МР-среде.
Другое преимущество состоит в обеспечении уменьшенных магнитных полей, противодействующих полям, которые вырабатываются магнитно-резонансной системой в МР-среде.
Другое преимущество состоит в выполнении более эффективного (РЧ) экранирования и электронных устройств с более эффективным РЧ-экранированием, предназначенных для использования в МР-среде.
Другие преимущества будут ясны специалистам в данной области техники после прочтения и понимания приведенного ниже подробного описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - схема магнитно-резонансной (МР) системы, включающей в себя МР-сканер с отверстием и электронное устройство или компонент, расположенный в отверстии, в котором электронное устройство включает в себя радиочастотный экран, который раскрыт здесь.
Фиг.1А - схема электронного устройства или компонент в увеличенном виде.
Фиг.2 - схема одного варианта осуществления электропроводящего материала, включающего в себя отверстие, подавляющее вибрацию материала, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля, где материал включает в себя электропроводящую сетку (показанную на виде сверху на фиг.2).
Фиг.3, 4 и 5 - схематичные изображения видов сверху трех проводящих слоев и листов, включающих в себя отверстия, подавляющие вибрацию слоя или листа, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля.
Фиг.6 - схематичное изображение вида сверху проводящего слоя или листа, выполненного из электропроводящих элементов, которые соединены с помощью маленьких электропроводящих выводов, соединенных между собой таким образом, чтобы образовались отверстия, подавляющие вибрацию слоя или листа, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля.
Фиг.7 - схематичные изображения вида сверху проводящего слоя или листа, выполненного обычно из контактирующих электропроводящих частиц, диспергированных в электроизолирующем связующем веществе, где промежутки между частицами образуют отверстия, подавляющие вибрацию слоя или листа, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля.
Фиг.8 - схематичные изображения вида сверху электропроводящего слоя или листа, выполненного из переплетенных электропроводящих волокон, где промежутки между волокнами образуют отверстия, подавляющие вибрацию слоя или листа, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля.
Фиг.9 изображает вид сбоку двух слоев или листов электропроводящего материала, включающих в себя отверстия, подавляющие вибрацию, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля, слоя или листа (например, любого из электропроводящих слоев или листов, показанных на фиг.2-6), разделенного с помощью изолирующего слоя или листа.
Фиг.10 и 11 - графики некоторых экспериментальных результатов, которые описаны здесь.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как показано на фиг.1, магнитно-резонансная (МР) система включает в себя МР-сканер 10, содержащий обычно цилиндрический или тороидальный корпус 12, который показан на частичном разрезе на фиг.1 для схематичного изображения выбранных внутренних компонентов. Корпус 12 ограничивает отверстие 14, которое является концентрическим по отношению к оси 16 цилиндра или тороида корпуса 12. Субъект помещается в отверстие 14 для формирования изображений. Основной магнит 20, образованный соленоидальными проводящими обмотками, вырабатывает статическое (В0) магнитное поле с направлением поля, обычно параллельным оси цилиндра или тороида, по меньшей мере, в пределах исследуемой области отверстия 14. Обмотки основного магнита 20 могут быть резистивными или сверхпроводящими; в последнем случае обмотки обычно размещаются в криостате (не показан), который содержит гелий или другую подходящую криогенную жидкость. Резистивные обмотки могут иметь устройство охлаждения, использующее, например, воду, сжатый воздух или жидкий азот в качестве охлаждающей жидкости.
Корпус 12 дополнительно содержит или поддерживает множество обмоток 22 для создания градиентов магнитного поля для наложения градиентов магнитного поля в выбранных направлениях в пределах исследуемой области отверстия 14. Градиенты магнитного поля, в общем, изменяются во времени. В качестве иллюстративного примера, срезселектирующий градиент магнитного поля может прикладываться вдоль оси 16 отверстий во время возбуждения магнитного резонанса для выбора осевого среза, который следует за постоянным периодом, во время которого фазокодирующий градиент магнитного поля прикладывается в поперечном направлении к осевому срезу, за которым следует период считывания, во время которого частотно-кодирующий градиент магнитного поля прикладывается в направлении, поперечном как к оси 16, так и к направлению кодирования фазы. В более сложных последовательностях, таких как эхо-планарное формирование изображения (EPI), синусоидальный или другие быстроизменяющиеся во времени градиенты магнитного поля могут прикладываться с помощью селективного возбуждения градиентных обмоток 22.
Возбуждение магнитного резонанса возникает за счет приложения радиочастотного (В1) импульса с частотой магнитного резонанса (например, 120 МГц для возбуждения 1Н в поле 3,0 Т) к одной или более радиочастотным катушкам 24. В иллюстративном варианте осуществления радиочастотная катушка 24 представляет собой катушку объема "тела в целом", такую как катушка "птичья клетка", или катушку для поперечного электромагнитного поля (ТЕМ), размещенную на или в корпусе 12 концентрично оси 16. Обычно локальная катушка или матрица катушек, такая как катушка для головы, катушка для конечностей, поверхностная катушка и т.п., используется для возбуждения МР. Считывание МР можно выполнить с использованием подобной катушки или катушек 24, которые используются для возбуждения, или считывание МР можно выполнить с помощью другой радиочастотной катушки или катушек (не показаны).
В иллюстративном варианте осуществления система загрузки пациента включает в себя ложе 30 пациента, размещенное в конце корпуса 12 таким образом, чтобы можно было переместить пациента, находящегося на кровати 32, в отверстие 14 МР-сканера 10. Ложе 30 можно установить на постоянной основе в изображенном положении, или оно может представлять собой подвижное ложе, имеющее колеса, ролики или т.п., для того, чтобы можно было положить субъекта и затем переместить его и позиционировать в МР-сканере 10. МР-система дополнительно включает в себя подходящие МР-электронные модули 34 для управления МР-сканером 10 для получения МР-данных и для обработки полученных МР-данных. Например, МР-электронные модули 34 могут включать в себя модуль для восстановления изображений. Компьютер 36 обеспечивает взаимодействие пользователя с МР-системой и может также реализовать некоторые или все из МР-электронных модулей 34 в виде программного обеспечения, исполняемого на компьютере 36.
Изображенный МР-сканер 10 является примером. Подходы, раскрытые здесь для уменьшения вредного взаимодействия электрических проводников с изменяющимися во времени градиентами магнитного поля за счет использования электропроводящего материала, включающего в себя отверстия, подавляющие вибрацию электрического проводника, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля, обычно применяются с любым типом МР-сканера, включая изображенный сканер 10 с горизонтальным цилиндрическим отверстием или открытый МР-сканер, МР-сканер с вертикальным магнитом и т.п.
Как показано на фиг.1, электронное устройство или компонент 40 показан в виде схемы. Электронное устройство или компонент 40 может, например, представлять собой устройство контроля за пациентами, например, такое как физиологический контроль (электрокардиография, контроль дыхания, контроль кровяного давления или т.п.). Иллюстративное электронное устройство или компонент 40 располагается в отверстии 14 МР-сканера 10; однако электронное устройство или компонент, сконфигурированный для использования в магнитно-резонансной системе, может располагаться снаружи отверстия 14 (или обычно снаружи МР-исследуемой области, в случае открытого МР-сканера или т.п.), но достаточно близко к отверстию или МР-исследуемой области для того, чтобы обеспечить воздействие радиочастотного (В1) поля и градиентов магнитного поля.
Как показано на фиг.1 и дополнительно на фиг.1А, на которой изображен увеличенный вид электронного устройства или компонента 40, электронное устройство включает в себя один или более электронных элементов 42, таких как интегральная схема (IC), датчики, пассивные компоненты, такие как резисторы, конденсаторы или катушки индуктивности или т.п. В изображенном варианте осуществления два характерных электронных элемента 42 расположены на печатной плате 44 и электрически межсоединены с помощью электропроводящих проводников (не показаны) печатной платы 44. Электронное устройство или компонент 40 может при необходимости включать в себя другие элементы (не показаны), такие как один или более проводных соединений с МР-электронными модулями 34 или другими компонентами, расположенными снаружи отверстия 14, или радиочастотный приемопередатчик для обеспечения беспроводной связи с тем же самым или т.п.
Как показано на фиг.1 и 1А, радиочастотный экран также выполнен для подавления вредного воздействия радиочастотного поля В1 на электронное устройство или компонент 40 и для подавления радиочастотных (РЧ) помех, излучаемых электронным устройством или компонентом 40. Иллюстративный радиочастотный экран включает в себя электропроводящую "земляную" шину 50 печатной платы 44 и электропроводящий корпус 52, окружающий электронное устройство или компонент 40. Следует отметить, что электропроводящий корпус 52 является обычно частично или полностью светонепроницаемым (например, выполнен целиком или частично из металла), но показан видимым (то есть прозрачным) для того, чтобы показать содержащее в себе электронное устройство или компонент 40 и земляную шину 50. В некоторых вариантах осуществления радиочастотный экран может включать в себя только земляную шину 50 (с опущенным корпусом 52). В некоторых вариантах осуществления радиочастотный экран может включать в себя только корпус 52 (с опущенной земляной шиной 50). В некоторых вариантах осуществления земляная шина 50 и корпус 52 могут представлять собой один объединенный элемент, например, за счет наличия одной стороны корпуса, который также служит в качестве земляной шины для печатной платы. Корпус 52 (если он включен) может быть, в общем, корпусом, расположенным на плате, корпусом типа контейнера или т.п.
В общем, проводящий радиочастотный экран подвержен вибрации и индукционному нагреванию, вызываемому вихревыми токами, которые возникают за счет градиентов магнитного поля, вырабатываемых градиентными катушками 22. Когда в радиочастотном экране наводятся вихревые токи, которые приводят к вибрации, в электрических проводниках печатных плат посредством эффектов рамочной дипольной антенны наводятся маленькие напряжения или токи, которые содержат физиологические данные, основанные на форме сигналов с низкой амплитудой (например, на уровне микровольт-милливольт). Когда диамагнитный материал, такой как медь, который иногда используется в качестве материала для радиочастотного экрана, размещается на пути изменяющегося магнитного поля, создаваемого изменяющимся во времени градиентом магнитного поля, вырабатывается маленькое помеховое напряжение/ток, которое может привести к ошибкам измерений или другим ошибкам электронного устройства.
Здесь раскрыто выполнение радиочастотных экранов 50, 52 с одновременным подавлением вихревых токов и их последующих эффектов, таких как механические вибрации и ошибки сигналов, путем построения радиочастотных экранов 50, 52, использующих одну или более сеток (см. фиг.2), или перфорированный металл (см. фиг.3-5), или проводящий лист, сконструированный из электропроводящих элементов, соединенных с помощью маленьких соединительных электропроводящих выводов (см. фиг.6), или лист или слой из обычно контактирующих электропроводящих частиц, диспергированных в электроизолирующем связующем веществе (см. фиг.7), или лист или слой из переплетенных электропроводящих волокон (см. фиг.8), или другое размещение, в котором радиочастотные экраны 50, 52 содержат электропроводящий материал, включающий в себя отверстия, подавляющие вибрацию радиочастотного экрана, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля.
Однако включение таких отверстий предполагает обычно уменьшение эффективности радиочастотного экранирования при блокировании поля В1 и/или подавлении РЧ помех, излучаемых электронным устройством. Здесь более полно раскрыто использование стопки тонких электропроводящих листов или слоев (например, таких, которые показаны на фиг.2-8), размещенных отдельно с помощью изоляторов (см. фиг.9). Здесь показано (см. фиг.10 и 11), что только два слоя сетки (см. фиг.2), которые изолированы одним слоем изолятора (см. фиг.9), могут обеспечить эффективное экранирование при подавлении вибраций, наведенных градиентом. Радиочастотные экраны 50, 52 выполнены подходящим образом из меди или при необходимости могут быть выполнены из материала с низкой электропроводностью, такого как сплав никель-серебро (например, NiAg). Низкая электропроводность (по сравнению с медью) представляет более высокое удельное сопротивление для вихревых токов. Таким образом, обеспечивается эффективное радиочастотное экранирование при уменьшении механической вибрации и других вредных эффектов от вихревых токов, что позволяет уменьшить ошибки при измерении и искажение формы сигнала во время проведения контроля за пациентом, который находится в МР-отверстии.
Здесь раскрыты технологии, предназначенные для уменьшения вредного воздействия на электрические проводники изменяющихся во времени градиентов магнитного поля за счет использования электропроводящего материала, включающего в себя отверстия, подавляющие вибрацию электрического проводника, которая наводится путем изменяющегося во времени градиента магнитного поля. Эти технологии подходящим образом используются при радиочастотном экранировании или обычно в электропроводящих корпусах, или в других приложениях, которые влекут за собой размещение электрического проводника в или рядом с МР-отверстием.
Со ссылкой на фиг.2-8 описаны различные варианты осуществления листов или слоев электропроводящего материала, включающего в себя отверстия, которые подавляют вибрацию радиочастотных экранов 50, 52, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля.
На фиг.2 показан вид сверху электропроводящего листа или слоя 60, содержащего электропроводящую сетку. В этом варианте осуществления отверстия сетки образуют отверстия, подавляющие вибрацию сетки 60, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля.
На фиг.3 показан вид сверху электропроводящего листа или слоя 70, в котором квадратные отверстия 72 выполнены в виде регулярной структуры с возможностью образования отверстий, подавляющих вибрацию слоя или листа 70, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля. Например, электропроводящий лист или слой 70 может представлять собой металлическую фольгу, в которой квадратные отверстия 72 перфорированы, предпочтительно, с использованием автоматизированного машинного оборудования. Отверстия могут иметь другие формы, помимо квадратной, например круглую, шестиугольную или т.п.
На фиг.4 показан вид сверху электропроводящего листа или слоя 8, в котором круглые отверстия 82 сформированы в виде регулярной или случайной структуры с возможностью образования отверстий, подавляющих вибрацию слоя или листа 80, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля. На фиг.4 изображены отверстия, предназначенные для подавления вибрации, не требующие регулярного размещения.
На фиг.5 показан вид сверху электропроводящего листа или слоя 90, в котором щели 92 сформированы в виде нерегулярной или случайной структуры с возможностью образования отверстий, подавляющих вибрацию слоя или листа 90, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля. На фиг.5 изображены отверстия, предназначенные для подавления вибрации, которые необязательно должны быть изотопропическими, но скорее должны иметь большое аспектное отношение.
В подходе, изображенном на фиг.3-5, используется сплошной металлический лист, например, из NiAg, а не сетка, как в варианте осуществления, показанном на фиг.2. Обычно стоимость материалов для подхода, изображенного на фиг.3-5, ниже, чем стоимость материалов для проводящей сетки 60, и этот лист также лучше подходит для механической обработки и формирования при реализации специфических структур радиочастотного экранирования, таких как изображенный корпус 52 или структура с соединениями, такая как земляная шина 50, которая соединена с печатной платой 44.
На фиг.6 показан вид сверху электропроводящего листа или слоя 100, выполненного из электропроводящих элементов 102, соединенных с помощью маленьких соединительных электропроводящих выводов 104 таким образом, чтобы образовались отверстия, подавляющие вибрацию слоя или экрана 100, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля.
На фиг.7 показан вид сверху электропроводящего листа или слоя 110, выполненного из обычно контактирующих электропроводящих частиц 112, диспергированных в электроизолирующем связывающем веществе 114, в котором промежутки между частицами 112 образуют отверстия, подавляющие вибрацию слоя или листа, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля.
На фиг.8 показан вид сверху электропроводящего листа или слоя 120, выполненного из переплетенных электропроводящих волокон 122, в котором промежутки между переплетенными волокнами 122 образуют отверстия, подавляющие вибрацию слоя или листа, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля. При необходимости волокна 122 можно ввести или диспергировать в электроизолирующее связующее вещество 124 (показано в упрощенном виде).
Как показано на фиг.2-8, отверстия, подавляющие вибрацию слоя или листа, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля, имеют эффект подавления вихревых токов в маленьких токовых петлях, таким образом рассеивая энергию градиента, которая поглощается в экране, и уменьшая вибрацию, которая наводится вихревыми токами. Размер (в среднем) отверстий выбирается так, чтобы подавить вибрацию при одновременном продолжении приемлемого радиочастотного экранирования. Если отверстия являются слишком большими, то радиочастотное экранирование подвергается риску, тогда как если отверстия являются слишком маленькими, то риску подвергается подавление вибрации.
В некоторых вариантах осуществления отверстия радиочастотных экранов 50, 52 имеют размер менее одной двадцатой длины волны магнитного резонанса в свободном пространстве, что гарантирует эффективное радиочастотное экранирование при частоте магнитного резонанса. При отверстиях размером менее одной двадцатой длины волны магнитного резонанса в свободном пространстве предполагается, что радиочастотные экраны 50, 52 обеспечивают эффективное уменьшение энергии радиочастотного излучения электрического устройства или компонента, по меньшей мере, на 80 децибел. Длина волны в свободном пространстве имеет вид с/f, где с=3,00×1010 см/сек - скорость света в свободном пространстве, и f - частота магнитного резонанса. Например, для возбуждения 1Н и В0=1,5 Т частота МР составляет 64 МГц, и одна двадцатая длины волны в свободном пространстве составляет приблизительно 23 см. Для возбуждения 1Н при В0=3,0 Т частота МР составляет 128 МГц, одна двадцатая длины волны в свободном пространстве составляет приблизительно 12 см. Это определяет верхний предел (среднего) размера отверстия.
Другое ограничение на радиочастотные экраны 50, 52 заключается в том, что радиочастотные экраны должны иметь минимальный размер, который больше в 10 раз глубины скин-слоя длины волны магнитного резонанса в электропроводящем материале. Это налагает ограничения по минимальной толщине на проводящий слой или лист, и также опосредованно налагает ограничение по верхнему пределу на размер отверстий, так как отверстия нельзя выполнить такими большими, чтобы оставшийся проводящий материал между отверстиями был (в среднем) в 10 раз меньше глубины скин-слоя длины волны магнитного резонанса в электропроводящем материале.
С другой стороны, если отверстия выполнены в среднем слишком маленькими, то они не будут эффективными для подавления вибрации, наводимой вихревыми токами. Обычно требуется уменьшить вибрацию, наводимую изменяющимся во времени градиентом магнитного поля радиочастотного экрана, по меньшей мере, на 3 децибела. Минимальный средний размер отверстий, достаточный для обеспечения требуемого уменьшения вибрации на 3 децибела, без труда определяется экспериментальным путем.
В некоторых вариантах осуществления взаимопротивоположные ограничения, связанные с (i) поддержанием эффективного радиочастотного экранирования (которое приводит к более маленьким средним отверстиям) и (ii) уменьшением вибрации, которую наводит градиент (которая приводит к более большим средним отверстиям), трудно одновременно удовлетворить с помощью одного листа или слоя проводящего материала, такого как показан на фиг.2-8.
Со ссылкой на фиг.9 в таких случаях предполагается использовать многочисленные слои или листы проводящего материала. На фиг.9 показан вариант осуществления, в котором два проводящих слоя или листа 60, каждый из которых содержит сетку, как показано на фиг.2, разделены диэлектрическим слоем 130. В варианте осуществления, показанном на фиг.9, два проводящих слоя или листа 60 можно заменить на два проводящих слоя или листа, которые включают в себя отверстия, подавляющие вибрацию радиочастотного экрана, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля, как показано в любом из других вариантов 70, 80, 90, 100, 110, 120 осуществления листа или слоя. Более того, хотя изображено два проводящих слоя или листа 60, которые разделены диэлектрическим слоем 130, количество проводящих слоев или листов можно увеличить до трех с двумя разделяющими на два диэлектрическими слоями, или до четырех с тремя разделяющими на два диэлектрическими слоями или более, в общем, до N проводящих слоев или листов, разделенных на (N-1) разделяющих диэлектрических слоев (где N больше 1). Преимущественные эффекты многочисленных листов включают в себя: (1) дополнительное рассеяние энергии градиента магнитного поля между многочисленными листами или слоями; (2) увеличение электрического сопротивления по сравнению с одним непрерывным слоем или листом с общей толщиной, образующей N проводящих слоев или листов, более высокое сопротивление которых позволяет уменьшить вихревые токи; и (3) обеспечение повышенного радиочастотного экранирования по сравнению с одним листом.
Как правило, предполагается, что достаточно N=2, как изображено на фиг.9. Повышение эффективности (SE) экранирования для двойного слоя (SEdouble) по сравнению с единственным слоем (SEsingle) равно приблизительно ΔSE=SEdouble-SEsingle=20log10[(π· lairgap/λ0)/|η/Zω|], где lairgap - толщина диэлектрического слоя 130 (который в этом примере предполагается воздушным, причем в упомянутом другом способе lairgap - промежуток между двумя проводящими слоями или листами 60 в варианте осуществления, показанном на фиг.9), Zω - внутреннее полное сопротивление на единицу длины проволочной сетки проводящих слоев или листов 60, λ0 - длина волны магнитного резонанса в свободном пространстве и η - собственное полное сопротивление проводящих слоев или листов 60. Смотри работу Лосито "Аналитические характеристики металлических пен для приложений по экранированию", Симпозиум по развитию электромагнитных исследований, Кембридж, МА, США, 2-6 июля 2008 года (Losito, "An Analytical Characterization of Metal Foams for Shielding Applications", Progress in Electromagnetics Research Symposium, Cambridge, MA, USA July 2-6, 2008).
На фиг.10 и 11 изображены графики некоторых экспериментальных результатов для варианта осуществления, показанного на фиг.2, то есть при использовании одного слоя сетки 60. Были проведены исследования излучений при 1,5 Т (фиг.10) и 3,0 Т (фиг.11) в ближней зоне с использованием испытательного стенда для определения допустимых уровней излучения для оборудования, которое работает внутри отверстия 14. Графики на фиг.10 и 11 изображают уровни излучения для различных размеров медной сетки (20, 40, 80 и 200 отверстий на дюйм (2,54 см)) и для сплошных Cu и NiAg слоев с использованием схемы генератора шума на критических частотах для магнита. Для характеристик излучения в ближней зоне сеточных структур результаты ухудшаются в случае, когда размер апертуры становится больше и когда уменьшается диаметр проволоки. На фиг.11 показано, что существует оптимальное условие при 3,0 Т, где сетка может обеспечить больше вносимых потерь (ослабление) на критических частотах по сравнению со сплошной структурой. Сетка с размером 80 является оптимальной при 3,0 Т.
Тестирования были также выполнены для экранирования прототипа электрокардиографического (ЭКГ) модуля, который был экранирован с использованием двух слоев сетки с размером 80, разделенной диэлектрическим слоем, как показано на фиг.9. Результаты показали, что на частотах 1,5 Т выполненный сплошной экран приблизительно на 5 дБ лучше, чем сетка с размером 80, но она все еще остается в допустимых пределах (ниже -145 ДБ). При 3,0 Т двухслойная сетчатая структура (фиг.9) обеспечивала ослабление приблизительно на 10 ДБ больше по сравнению со сплошным экраном.
В настоящем изобретении были описаны один или более предпочтительных вариантов осуществления. Модификации и изменения могут иметь место для специалистов в данной области техники после прочтения и понимания предыдущего подробного описания. Подразумевается, что настоящее изобретение будет истолковано как включающее в себя все такие модификации и изменения до тех пор, пока они подпадают под объем прилагаемой формулы изобретения или ее эквивалентов.
1. Устройство радиочастотного экранирования, содержащее:
электрическое устройство или компонент (40, 42, 44), включающий в себя печатную плату (44); и
радиочастотный экран (50, 52), выполненный с возможностью экранирования электрического устройства или компонента, причем радиочастотный экран включает в себя земляную шину (50) печатной платы;
при этом устройство расположено в отверстии (14) магнитно-резонансного сканера (10) в радиочастотном (В1) поле, которое вырабатывается магнитно-резонансным сканером, и в изменяющихся во времени градиентах магнитного поля, которые вырабатываются с помощью магнитно-резонансного сканера; и
земляная шина печатной платы включает в себя электропроводящий лист или слой (60, 70, 80, 90, 100, 110, 120), имеющий отверстия (72, 82, 92), подавляющие вибрацию земляной шины, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля.
2. Устройство по п. 1, в котором радиочастотный экран (50, 52) дополнительно содержит:
корпус (52), по существу, вмещающий в себя электрическое устройство или компонент (40, 42, 44).
3. Устройство по любому одному из пп. 1-2, в котором электропроводящий лист или слой (60) земляной шины (50) содержит электропроводящую сетку, причем отверстия сетки образуют отверстия, подавляющие вибрацию земляной шины, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля.
4. Устройство по любому одному из пп. 1-2, в котором электропроводящий лист или слой (70, 80, 90) земляной шины (50) содержит металлический лист или слой, имеющий образованные в нем отверстия (72, 82, 92), подавляющие вибрацию земляной шины, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля.
5. Устройство по любому одному из пп. 1-2, в котором электропроводящий лист или слой (100) земляной шины (50) содержит электропроводящие элементы (102), соединенные с помощью маленьких соединительных электропроводящих выводов (104) таким образом, чтобы образовались отверстия, подавляющие вибрацию земляной шины, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля.
6. Устройство по любому одному из пп. 1-2, в котором электропроводящий лист или слой (110) земляной шины (50) содержит электропроводящие частицы (112), диспергированные в электроизолирующем связующем веществе (114), причем промежутки между частицами образуют отверстия, подавляющие вибрацию земляной шины, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля.
7. Устройство по любому одному из пп. 1-2, в котором электропроводящий лист или слой (120) земляной шины (50) содержит переплетенные электропроводящие волокна (122), причем промежутки между волокнами образуют отверстия, подавляющие вибрацию земляной шины, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля.
8. Устройство по любому одному из пп. 1-2, в котором отверстия (72, 82, 92) электропроводящего листа или слоя (60, 70, 80, 90, 100, 110, 120) земляной шины (50) имеют размер менее одной двадцатой длины волны магнитного резонанса в свободном пространстве.
9. Устройство по любому одному из пп. 1-2, в котором электропроводящий лист или слой (60, 70, 80, 90, 100, 110, 120) земляной шины (50) имеет минимальную толщину, которая в десять раз больше глубины скин-слоя длины волны магнитного резонанса в электропроводящем материале электропроводящего листа или слоя.
10. Устройство по любому одному из пп. 1-2, в котором электропроводящий лист или слой (60, 70, 80, 90, 100, 110, 120) земляной шины (50) содержит множество параллельных, образующих единое целое электропроводящих листов или слоев (60), разделенных одним или более диэлектрическими слоями (130).
11. Устройство по п. 10, в котором электропроводящий лист или слой (60, 70, 80, 90, 100, 110, 120) земляной шины (50) содержит два параллельных, образующих единое целое электропроводящих листа или слоя (60), разделенных одним диэлектрическим слоем (130).
12. Устройство по любому одному из пп. 1-2, в котором земляная шина (50) выполнена с возможностью уменьшения энергии радиочастотного излучения от электрического устройства или компонента (40, 42, 44) по меньшей мере на 80 децибел.
13. Устройство по любому одному из пп. 1-2, в котором отверстия (72, 82, 92) электропроводящего листа или слоя (60, 70, 80, 90, 100, 110, 120) земляной шины (50) выполнены с возможностью уменьшения вибрации земляной шины, которая наводится за счет изменяющегося во времени градиента магнитного поля по меньшей мере на 3 децибела.
14. Магнитно-резонансная система, содержащая:
магнитно-резонансный сканер (10), включающий в себя основной магнит (20), вырабатывающий статическое (В0) магнитное поле в исследуемой области в отверстии (14) магнитно-резонансного сканера, обмотки (22) для создания градиента магнитного поля для наложения изменяющихся во времени градиентов магнитного поля в выбранных направлениях в пределах исследуемой области, и одну или более радиочастотных катушек (24) для выработки радиочастотного (В1) поля в исследуемой области; и
устройство по любому одному из пп. 1-13, расположенное в отверстии магнитно-резонансного сканера в радиочастотном (B1) поле, которое вырабатывается с помощью магнитно-резонансного сканера, и в изменяющихся во времени градиентах магнитного поля, которые вырабатываются магнитно-резонансным сканером.
