一种超低场磁共振成像的磁场屏蔽装置
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图3 补偿线圈Ansoft 3D模型 Fig.3 3D calculation model of compensation coil 2 结果及分析 无源磁屏蔽装置由三层坡莫合金制成，内腔尺寸 Φ260×480mm。磁屏蔽装置的两端各开有一个Φ20mm 的圆孔，其中一端为活动开盖，两个侧面同样各开有 一个Φ20mm的圆孔。有源补偿线圈采用三组线圈构 成，其中两组为鞍型线圈，一组为亥姆霍兹线圈，如图 4所示。 在屏蔽筒中建立如下坐标系：x轴为屏蔽筒径向 方向上两圆孔的中心连线，即径向水平方向，y轴垂直 于水平面向上，即径向垂直方向，z轴沿屏蔽筒轴向两 圆孔的中心连线，即轴线水平方向。各组线圈尺寸如 表1所示。 利用实验室现有磁通门传感器进行测量，测量中 将屏蔽筒轴向沿地磁东西方向摆放，径向开口处于水 平位置。磁屏蔽筒内腔中心位置±50mm内的剩余磁场 分布如表2所示。实验室环境磁场南北方向（x方向）约 为19000nT，上下方向（y方向）约为30000nT，东西方向 （z方向）约为14500nT，由测量结果可以得到该屏蔽筒 在地磁环境下，对于纵向磁场的屏蔽系数约为2400，
总第 49 卷 第 561 期 2012 年 第 9 期
电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation
Vol.49 No.561 Sep. 2012
一种超低场磁共振成像的磁场屏蔽装置
张玉霞，王慧贤，杨文晖
（中国科学院 电工研究所，北京 100190）
摘要：与常规磁共振成像相比，超低场磁共振成像不仅大大降低了设备的成本和体积，还能够获得普通高场核
由于磁共振信号在超低磁场环境的频率很低，利用 传统的接收线圈检测信号难以获得高的信噪比，因此超 低场磁共振成像中通常采用测量磁化矢量剩磁的方式 来检测磁共振信号，如SQUID[1]，光泵磁共振法等[2-3]。
核的磁化矢量的大小与极化磁场成正比，对于超 低场NMR 而言，其极化场强度一般不高于100 高斯， 因此其磁共振信号剩余磁矩非常微弱，通常在pT量 级，远远小于地磁场和环境磁场的波动，特别容易受 到外界磁场变化的影响，并且由于编码磁场很低，环 境磁场以及环境磁场梯度的存在，都将影响到磁共振 信号的检测，因此在检测时需要对周围环境磁场噪声 进行有效屏蔽并且对环境磁场极其梯度进行有效补 偿。本文介绍了一种无源屏蔽和有源补偿相结合的方 法，可有效减小外界磁场对超低场磁共振信号检测的 影响。 1 磁场屏蔽及补偿方法
2
ST=
1 4
μ（1－ Di）+1 2 Do
（1）
式中μ为屏蔽材料的相对磁导率; Di为屏蔽筒内径; Do
为屏蔽筒外径。对于纵向磁场（磁场方向与屏蔽筒轴
线平行），考虑到两端盖子的屏蔽效果，其单层屏蔽系
数可由下式计算[4]：
SL=
4NST+1 1+Do/2L
（2）
图2 补偿线圈模型 Fig.2 Model of active magnetic compensation coils
由于单一线圈组所产生的主磁场方向外的磁场 分量很小，计算表明在目标区域内小于主磁场的千分 之一，故无需考虑在三组线圈之间的互相影响。
在Ansoft中建立的屏蔽筒、线圈以及目标区域的 3D模型,如图3所示。对沿x轴-50mm~+50mm区域上三 个方向的磁场分别进行计算，调节线圈激励电流使其 达到最佳效果。
对横向磁场分量的屏蔽系数约为3000，纵向方向屏蔽
ÁÁÂÃÂÄÃ系数的降低是受到两端开孔的影响所致。
图4 屏蔽装置实物图 Fig.4 Magnetic shield system 利用磁场线圈稳流源对上述补偿线圈施加激励 电流，稳流源可采用场效应管和运算放大器构成的串 联补偿型稳流源[6]。调节激励电流大小，测量此时磁屏 蔽筒内腔中心位置±50mm内的剩余磁场分布，测量结 果如图5所示。此时，对x方向（径向水平）的鞍型补偿
对于亥姆霍兹线圈，其在几何中心产生的磁场计
算公式为：
3
B=（ 4 ）2 μ0NI 5R
（3）
式中μ0为真空磁导率；N为匝数；I为电流；R为线圈半径。 对于鞍型线圈，其几何中心的磁场计算公式为：
B= 4μ0IL（ 1 + 1 ）sin（Φ）
2
πD
%
姨
S
S
%
姨
S
2
（4）
2
式中L为线圈长度；D为线圈直径；S=1+（L/D）；Φ为张角。
Abstract：Compared with conventional magnetic resonance imaging （MRI） system，ultra -low field MRI not only reduces the cost and size of the equipment, but also makes it possible to obtain special images which are impossible to be obtained by ordinary high field MRI equipment. Because ultra -low field MRI has a very weak signal, the magnetic shield is important for signal detection. This paper proposes a magnetic shield method for ultra-low field MRI signal detection, which is a passive magnetic shield combined with active magnetic compensation method. The method can effectively reduce the impact of the environmental magnetic field for signal detection. Key words：ultra-low field, magnetic resonance imaging, magnetic shield, Helmholtz coil
4
在10 以上，饱和磁通密度不低于0.75T。
B
式中N为消磁系数，这里采用Osborn的通用椭球系数， 可由文献[4]查表得到，ST为横向磁屏蔽系数，Do为屏 蔽筒外径，L为屏蔽筒长度。
对于多层屏蔽系统，其屏蔽系数较为复杂，由于 设计的无源屏蔽筒层与层之间距离很近，这里采用单 层的计算公示进行近似计算。
把磁导率不同的两种磁介质放入磁场中，在它们 的交界面上磁场要发生突变，这时磁感应强度的大小 和方向都要发生变化，也就是说，引起了磁力线的折 射。如图1所示，如果介质A的磁导率远远大于介质B 的磁导率，这时在介质A内的磁力线几乎与界面平 行，并且介质A的磁导率越大，磁力线就越接近于与 表面平行，漏到外面的磁通量很少。因此，高导磁率的 介质把磁通量集中到介质内部，使被包围的区域内基 本不受外部磁场的影响，这就是无源磁屏蔽的原理。 磁导率和磁饱和性能是选择磁屏蔽材料时需要注意 的两个主要参数，目前普遍使用的是坡莫合金（mumetal）。这种材料由80%的镍和20%的铁构成，磁导率
通常在不涉及铁磁材料包裹的电磁线圈计算中
可以较容易的根据上述计算公式获得空间内的解析
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解。但对于空间存在铁磁材料的情况则较困难。因此 先根据无铁磁材料的鞍型线圈设计规律确定获得所 需的磁场分布时线圈几何尺寸。再将此线圈及屏蔽筒 在有限元软件中进行计算。并调整线圈电流参数，以 获得最终理想的屏蔽效果。
shielding cylinder without active compensation
/mm
B /nT
B /nT
B /nT
-50
3
11
6
-40
3
11
5
-30
4
10
5
-20
5
10
6
-10
5
10
6
0
6
10
5
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9
6
20
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8
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8
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3
7
6
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磁共振成像无法得到的特殊信息。由于超低场磁共振信号是一种非常微弱的低频信号，特别容易受到外界磁场
的影响，并且由于编码磁场很低，环境磁场及其梯度的存在都会影响到磁共振信号的检测，因此在检测时需要
对周围环境磁场噪声进行有效屏蔽并且对环境磁场及其梯度进行有效补偿。本文介绍了一种无源屏蔽和有源
补偿相结合的方法，可以达到良好的磁场屏蔽效果。
在超低磁场环境下可以获得高场磁共振成像设 备无法得到的特殊图像。而且由于这种成像方法所用 的磁场很低，可以减少组织与空气，或者组织与金属 物体之间因磁化率伪影带来的影响。并且对于外科手 术所采用的金属工具具有很弱的热效应及磁场作用 力，因此这种极低场的磁共振成像方法可以用于外科
［1-2］
手术中进行实时成像 。
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超低场磁共振信号通常在pT量级，远远小于地磁 场和环境磁场的波动，因此除了要求信号检测装置必 须具备足够的灵敏度以外，还需要性能良好的磁屏蔽 装置。 常见的屏蔽方式包括有源补偿和无源屏蔽两 种方式。 1.1 无源屏蔽
表1 补偿线圈尺寸 Tab.1 The size of compensation coils
B
1
120
/mm
220
/mm
440
B 1
120 215 430
B 1
200 100
表2 有源补偿前磁屏蔽筒内的磁场分布
Tab.2 Magnetic field distribution of the magnetic
A
图1 无源屏蔽原理图 Fig.1 Fundamental diagram of passive magnetic shield
为了充分利用磁屏蔽空间，这里采用圆柱形的屏
蔽结构，定义屏蔽系数为外部磁场与内部磁场之比，
则对于圆柱形的屏蔽系统，其单层横向磁场（磁场方
向与屏蔽筒轴线垂直）屏蔽系数可由下式计算[4]：
0引言 传统磁共振成像的高分辨率与磁共振成像磁体
的磁场强度密切相关，要获得高的分辨率，需要很高的 磁场强度，从而造成磁体越来越大，成本随之升高。高 场磁共振成像设备多采用超导磁体，然而超导磁共振 成像系统在应用中存在技术难度大、制造成本高、维护 费用高等问题。永磁型磁共振成像磁体虽然也可以达 到较高的磁场强度，但是在这种情况下，这种永磁磁共 振磁体体积非常庞大，且磁场均匀度也很难保证。
关键词：超低场；磁共振成像；磁屏蔽；亥姆霍兹线圈
中图分类号：TM153.5
文献标识码：B
文章编号：1001-1390（2012）09-0081-04
A Magnetic Shield Equipment for Ultra-low Field MRI
ZHANG Yu-xia, WANG Hui-xian, YANG Wen-hui （Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China）
将 设 计 尺 寸 内 径 230mm， 外 径 275mm， 长 度 480mm，屏蔽材料在地磁环境下的相对磁导率约为4×
4
10 ，代入上述计算公式，可得设计屏蔽筒对环境磁场 的屏蔽系数约为ST＝3000，SL＝3800。 1.2 有源补偿
采用无源磁屏蔽装置可以达到一般测量所需要 的磁场环境，但在超低场磁共振信号检测方法中，为 了提高磁强计的灵敏度，需要对环境磁场极其梯度进 行更高要求的补偿，为此我们采用了两种屏蔽方式相 结合的方法，即在无源屏蔽装置内，利用有源补偿线 圈将环境磁场抵消到更低的程度，以满足实验要求。 由于屏蔽筒圆柱形内腔结构，为了尽可能利用内部空 间，采用两组正交的圆柱面鞍型线圈对磁场Bx、By分 量分别进行补偿，一个与屏蔽筒同轴的亥姆霍兹线圈 对Bz分量进行补偿,如图2所示。
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图3 补偿线圈Ansoft 3D模型 Fig.3 3D calculation model of compensation coil 2 结果及分析 无源磁屏蔽装置由三层坡莫合金制成，内腔尺寸 Φ260×480mm。磁屏蔽装置的两端各开有一个Φ20mm 的圆孔，其中一端为活动开盖，两个侧面同样各开有 一个Φ20mm的圆孔。有源补偿线圈采用三组线圈构 成，其中两组为鞍型线圈，一组为亥姆霍兹线圈，如图 4所示。 在屏蔽筒中建立如下坐标系：x轴为屏蔽筒径向 方向上两圆孔的中心连线，即径向水平方向，y轴垂直 于水平面向上，即径向垂直方向，z轴沿屏蔽筒轴向两 圆孔的中心连线，即轴线水平方向。各组线圈尺寸如 表1所示。 利用实验室现有磁通门传感器进行测量，测量中 将屏蔽筒轴向沿地磁东西方向摆放，径向开口处于水 平位置。磁屏蔽筒内腔中心位置±50mm内的剩余磁场 分布如表2所示。实验室环境磁场南北方向（x方向）约 为19000nT，上下方向（y方向）约为30000nT，东西方向 （z方向）约为14500nT，由测量结果可以得到该屏蔽筒 在地磁环境下，对于纵向磁场的屏蔽系数约为2400，
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一种超低场磁共振成像的磁场屏蔽装置
张玉霞，王慧贤，杨文晖
（中国科学院 电工研究所，北京 100190）
摘要：与常规磁共振成像相比，超低场磁共振成像不仅大大降低了设备的成本和体积，还能够获得普通高场核
由于磁共振信号在超低磁场环境的频率很低，利用 传统的接收线圈检测信号难以获得高的信噪比，因此超 低场磁共振成像中通常采用测量磁化矢量剩磁的方式 来检测磁共振信号，如SQUID[1]，光泵磁共振法等[2-3]。
核的磁化矢量的大小与极化磁场成正比，对于超 低场NMR 而言，其极化场强度一般不高于100 高斯， 因此其磁共振信号剩余磁矩非常微弱，通常在pT量 级，远远小于地磁场和环境磁场的波动，特别容易受 到外界磁场变化的影响，并且由于编码磁场很低，环 境磁场以及环境磁场梯度的存在，都将影响到磁共振 信号的检测，因此在检测时需要对周围环境磁场噪声 进行有效屏蔽并且对环境磁场极其梯度进行有效补 偿。本文介绍了一种无源屏蔽和有源补偿相结合的方 法，可有效减小外界磁场对超低场磁共振信号检测的 影响。 1 磁场屏蔽及补偿方法
2
ST=
1 4
μ（1－ Di）+1 2 Do
（1）
式中μ为屏蔽材料的相对磁导率; Di为屏蔽筒内径; Do
为屏蔽筒外径。对于纵向磁场（磁场方向与屏蔽筒轴
线平行），考虑到两端盖子的屏蔽效果，其单层屏蔽系
数可由下式计算[4]：
SL=
4NST+1 1+Do/2L
（2）
图2 补偿线圈模型 Fig.2 Model of active magnetic compensation coils
由于单一线圈组所产生的主磁场方向外的磁场 分量很小，计算表明在目标区域内小于主磁场的千分 之一，故无需考虑在三组线圈之间的互相影响。
在Ansoft中建立的屏蔽筒、线圈以及目标区域的 3D模型,如图3所示。对沿x轴-50mm~+50mm区域上三 个方向的磁场分别进行计算，调节线圈激励电流使其 达到最佳效果。
对横向磁场分量的屏蔽系数约为3000，纵向方向屏蔽
ÁÁÂÃÂÄÃ系数的降低是受到两端开孔的影响所致。
图4 屏蔽装置实物图 Fig.4 Magnetic shield system 利用磁场线圈稳流源对上述补偿线圈施加激励 电流，稳流源可采用场效应管和运算放大器构成的串 联补偿型稳流源[6]。调节激励电流大小，测量此时磁屏 蔽筒内腔中心位置±50mm内的剩余磁场分布，测量结 果如图5所示。此时，对x方向（径向水平）的鞍型补偿
对于亥姆霍兹线圈，其在几何中心产生的磁场计
算公式为：
3
B=（ 4 ）2 μ0NI 5R
（3）
式中μ0为真空磁导率；N为匝数；I为电流；R为线圈半径。 对于鞍型线圈，其几何中心的磁场计算公式为：
B= 4μ0IL（ 1 + 1 ）sin（Φ）
2
πD
%
姨
S
S
%
姨
S
2
（4）
2
式中L为线圈长度；D为线圈直径；S=1+（L/D）；Φ为张角。
Abstract：Compared with conventional magnetic resonance imaging （MRI） system，ultra -low field MRI not only reduces the cost and size of the equipment, but also makes it possible to obtain special images which are impossible to be obtained by ordinary high field MRI equipment. Because ultra -low field MRI has a very weak signal, the magnetic shield is important for signal detection. This paper proposes a magnetic shield method for ultra-low field MRI signal detection, which is a passive magnetic shield combined with active magnetic compensation method. The method can effectively reduce the impact of the environmental magnetic field for signal detection. Key words：ultra-low field, magnetic resonance imaging, magnetic shield, Helmholtz coil
4
在10 以上，饱和磁通密度不低于0.75T。
B
式中N为消磁系数，这里采用Osborn的通用椭球系数， 可由文献[4]查表得到，ST为横向磁屏蔽系数，Do为屏 蔽筒外径，L为屏蔽筒长度。
对于多层屏蔽系统，其屏蔽系数较为复杂，由于 设计的无源屏蔽筒层与层之间距离很近，这里采用单 层的计算公示进行近似计算。
把磁导率不同的两种磁介质放入磁场中，在它们 的交界面上磁场要发生突变，这时磁感应强度的大小 和方向都要发生变化，也就是说，引起了磁力线的折 射。如图1所示，如果介质A的磁导率远远大于介质B 的磁导率，这时在介质A内的磁力线几乎与界面平 行，并且介质A的磁导率越大，磁力线就越接近于与 表面平行，漏到外面的磁通量很少。因此，高导磁率的 介质把磁通量集中到介质内部，使被包围的区域内基 本不受外部磁场的影响，这就是无源磁屏蔽的原理。 磁导率和磁饱和性能是选择磁屏蔽材料时需要注意 的两个主要参数，目前普遍使用的是坡莫合金（mumetal）。这种材料由80%的镍和20%的铁构成，磁导率
通常在不涉及铁磁材料包裹的电磁线圈计算中
可以较容易的根据上述计算公式获得空间内的解析
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总第 49 卷 第 561 期 2012 年 第 9 期
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解。但对于空间存在铁磁材料的情况则较困难。因此 先根据无铁磁材料的鞍型线圈设计规律确定获得所 需的磁场分布时线圈几何尺寸。再将此线圈及屏蔽筒 在有限元软件中进行计算。并调整线圈电流参数，以 获得最终理想的屏蔽效果。
shielding cylinder without active compensation
/mm
B /nT
B /nT
B /nT
-50
3
11
6
-40
3
11
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磁共振成像无法得到的特殊信息。由于超低场磁共振信号是一种非常微弱的低频信号，特别容易受到外界磁场
的影响，并且由于编码磁场很低，环境磁场及其梯度的存在都会影响到磁共振信号的检测，因此在检测时需要
对周围环境磁场噪声进行有效屏蔽并且对环境磁场及其梯度进行有效补偿。本文介绍了一种无源屏蔽和有源
补偿相结合的方法，可以达到良好的磁场屏蔽效果。
在超低磁场环境下可以获得高场磁共振成像设 备无法得到的特殊图像。而且由于这种成像方法所用 的磁场很低，可以减少组织与空气，或者组织与金属 物体之间因磁化率伪影带来的影响。并且对于外科手 术所采用的金属工具具有很弱的热效应及磁场作用 力，因此这种极低场的磁共振成像方法可以用于外科
［1-2］
手术中进行实时成像 。
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总第 49 卷 第 561 期 2012 年 第 9 期
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超低场磁共振信号通常在pT量级，远远小于地磁 场和环境磁场的波动，因此除了要求信号检测装置必 须具备足够的灵敏度以外，还需要性能良好的磁屏蔽 装置。 常见的屏蔽方式包括有源补偿和无源屏蔽两 种方式。 1.1 无源屏蔽
表1 补偿线圈尺寸 Tab.1 The size of compensation coils
B
1
120
/mm
220
/mm
440
B 1
120 215 430
B 1
200 100
表2 有源补偿前磁屏蔽筒内的磁场分布
Tab.2 Magnetic field distribution of the magnetic
A
图1 无源屏蔽原理图 Fig.1 Fundamental diagram of passive magnetic shield
为了充分利用磁屏蔽空间，这里采用圆柱形的屏
蔽结构，定义屏蔽系数为外部磁场与内部磁场之比，
则对于圆柱形的屏蔽系统，其单层横向磁场（磁场方
向与屏蔽筒轴线垂直）屏蔽系数可由下式计算[4]：
0引言 传统磁共振成像的高分辨率与磁共振成像磁体
的磁场强度密切相关，要获得高的分辨率，需要很高的 磁场强度，从而造成磁体越来越大，成本随之升高。高 场磁共振成像设备多采用超导磁体，然而超导磁共振 成像系统在应用中存在技术难度大、制造成本高、维护 费用高等问题。永磁型磁共振成像磁体虽然也可以达 到较高的磁场强度，但是在这种情况下，这种永磁磁共 振磁体体积非常庞大，且磁场均匀度也很难保证。
关键词：超低场；磁共振成像；磁屏蔽；亥姆霍兹线圈
中图分类号：TM153.5
文献标识码：B
文章编号：1001-1390（2012）09-0081-04
A Magnetic Shield Equipment for Ultra-low Field MRI
ZHANG Yu-xia, WANG Hui-xian, YANG Wen-hui （Institute of Electrical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China）
将 设 计 尺 寸 内 径 230mm， 外 径 275mm， 长 度 480mm，屏蔽材料在地磁环境下的相对磁导率约为4×
4
10 ，代入上述计算公式，可得设计屏蔽筒对环境磁场 的屏蔽系数约为ST＝3000，SL＝3800。 1.2 有源补偿
采用无源磁屏蔽装置可以达到一般测量所需要 的磁场环境，但在超低场磁共振信号检测方法中，为 了提高磁强计的灵敏度，需要对环境磁场极其梯度进 行更高要求的补偿，为此我们采用了两种屏蔽方式相 结合的方法，即在无源屏蔽装置内，利用有源补偿线 圈将环境磁场抵消到更低的程度，以满足实验要求。 由于屏蔽筒圆柱形内腔结构，为了尽可能利用内部空 间，采用两组正交的圆柱面鞍型线圈对磁场Bx、By分 量分别进行补偿，一个与屏蔽筒同轴的亥姆霍兹线圈 对Bz分量进行补偿,如图2所示。