超導(dǎo)MRI磁體無液氦改造探討

【作 者】余慧嫻

杭州美諾瓦醫(yī)療科技有限公司，杭州市，310053

0 引言

超導(dǎo)磁共振成像儀（MRI）是各大醫(yī)院不可缺少的診斷設(shè)備。自上世紀(jì)80年代進(jìn)入臨床診斷以來，在世界范圍內(nèi)總裝機(jī)量已達(dá)數(shù)萬臺。僅在我國，裝機(jī)量也達(dá)數(shù)千臺，并仍將不斷增加。

當(dāng)前MRI所裝備的高場強(qiáng)磁體均為低溫超導(dǎo)磁體。中心磁場強(qiáng)度從1.5 T到3.0 T(1 T=10000 Gs)，甚至更高。它的優(yōu)點(diǎn)在于磁場強(qiáng)度高而穩(wěn)定，圖像清晰，無電離輻射，對人體無損傷。

MRI所裝備的低溫超導(dǎo)磁體，由于人體受檢部位必須置于磁體中心直徑為50 cm球形均勻磁場內(nèi)，要求人孔直徑大于60 cm，磁體內(nèi)孔直徑一般需大于90 cm。為此，超導(dǎo)磁體體積較大，表面積很大，這對低溫超導(dǎo)技術(shù)比較困難。

MRI所裝備的低溫超導(dǎo)磁體的主線圈一般使用鈮鈦超導(dǎo)線或鈮三錫超導(dǎo)線繞制。在溫度為9 K(-264oC)以下鈮鈦超導(dǎo)線或鈮三錫超導(dǎo)線具有超導(dǎo)性能，電阻降至1×10-14Ω左右。

將MRI低溫超導(dǎo)磁體的主線圈浸在溫度為4.2 K(-269oC)液態(tài)氦(LHe)中，可確保主線圈中的超導(dǎo)線處于超導(dǎo)狀態(tài)，流經(jīng)線圈環(huán)路中的大電流將無源的、極少損耗的環(huán)繞閉合超導(dǎo)線圈流動而形成穩(wěn)定的強(qiáng)大磁場。一臺1.5 T超導(dǎo)磁體內(nèi)需裝填約(1000～2000)L的液氦。

低溫超導(dǎo)磁體內(nèi)4.2 K的液氦與磁體表面的室溫相差為300 K左右，磁體采用高真空多層絕熱技術(shù)及氦制冷機(jī)技術(shù)，使磁體內(nèi)液氦蒸發(fā)損失盡可能的減小，甚至零蒸發(fā)。這些技術(shù)國際上已有商品化的成熟技術(shù)。國內(nèi)經(jīng)過幾十年的努力目前已有幾家企業(yè)正在批量制造或準(zhǔn)備批量制造，組裝這類低溫超導(dǎo)磁體。

1 超導(dǎo)MRI磁體即將面臨的問題

在宇宙中氦(He)約占23%，是除氫以外最多的元素，但在地球上卻少得可憐，空氣中約占5 ppm，氦氣主要存在于天然氣井及放射性礦產(chǎn)地區(qū)，能進(jìn)行商業(yè)性開采的天然氣大多數(shù)在美國，美國的天然氣含1%以上的氦氣，我國四川的天然氣井中也含有氦氣，但其含量不高，開采成本高，不足以滿足醫(yī)用超導(dǎo)磁共振成像儀低溫超導(dǎo)磁體大量的使用及消耗。我國所有低溫超導(dǎo)磁體使用的液氦幾乎都從美國進(jìn)口。

氦是一種不可再生的稀有的戰(zhàn)略資源。氦是除氫(H)外最輕的元素，單原子分子，幾乎不與任何元素起化合作用的惰性氣體。氦氣一旦進(jìn)入大氣就會升到大氣頂層而逃逸到外層空間，無法回收。氫氣(H2)雖然也會逃逸到外層空間，但氫元素在地球上以化合物形式存在(如水分子)而被固定下來 。

氦氣的儲存方法：以氣態(tài)形式壓入廢礦井儲藏、或以氣態(tài)形式壓入貯罐儲存，或以低溫液化成液氦儲存在低溫容器中。以氣態(tài)儲存，體積大壓力大。以液態(tài)儲存，體積可減少但需使用價(jià)格昂貴技術(shù)復(fù)雜的低溫容器。此外，低溫容器同時(shí)也存在日蒸發(fā)量的消耗。

全球氦的年需要量實(shí)際上就是氦的年放空量，只要開采出來就將在使用中放空，而無法回收，直到地球上的氦用完為止。此后地球上將只能靠地殼中放射元素礦床衰變而產(chǎn)生少量的氦。

2007年美國已將氦作為戰(zhàn)略資源限制粗氦產(chǎn)量及出口，造成液氦價(jià)格飛漲。有專家預(yù)計(jì)，美國將在10～15年后，從氦出口國變?yōu)楹みM(jìn)口國。近幾年美國因大規(guī)模開發(fā)“頁巖氣”而改變了能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，富含氦的天然氣將減少甚至停止開采，作為開采天然氣的副產(chǎn)品氦氣也將大幅度減少供應(yīng)甚至斷供。

由于超導(dǎo)磁共振成像儀的低溫超導(dǎo)磁體從研究、開發(fā)、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、維修均需大量消耗液氦，一旦液氦資源短缺或斷供，磁體就不能維持超導(dǎo)(發(fā)生“失超”)，磁場立即消失。超導(dǎo)磁共振成像儀將停止運(yùn)轉(zhuǎn)。它不但造成大量的患者因無法及時(shí)準(zhǔn)確診斷而延誤治療。同時(shí)也造成大量高投入的設(shè)備閑置，報(bào)廢。

2 超導(dǎo)MRI磁體無液氦改造的操作設(shè)計(jì)

超導(dǎo)磁共振成像儀包含兩個(gè)主要系統(tǒng)：超導(dǎo)磁體系統(tǒng)和圖像系統(tǒng)。與液氦有關(guān)聯(lián)的是超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，圖像系統(tǒng)不受影響。

將目前應(yīng)用的液氦低溫超導(dǎo)磁體改造成無液氦低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)，這是較好的方法之一。除磁體的低溫系統(tǒng)外，成像系統(tǒng)均可利用原設(shè)置。成像系統(tǒng)(包括：譜儀、梯度功放、射頻功放、梯度線圈、序列軟件等)在技術(shù)上比磁體更難在國內(nèi)成套。占超導(dǎo)磁共振成像儀設(shè)備投資費(fèi)用的1/2左右。

將液氦超導(dǎo)磁體改造成無液氦超導(dǎo)磁體，需要解決下列關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 4.2 K制冷機(jī)

國際上4.2 K制冷機(jī)有GM制冷機(jī)和脈管制冷機(jī)，均可使用。關(guān)鍵在于制冷量必須滿足制冷量大于漏熱量以保持整個(gè)超導(dǎo)線圈處于4.2 K的環(huán)境中。

18 T波譜儀的超導(dǎo)磁體已配有商品化的無液氦低溫超導(dǎo)磁體。GE 1.5 T超導(dǎo)磁共振成像儀的低溫超導(dǎo)磁體有液氦零蒸發(fā)的機(jī)型，所配置的制冷機(jī)可以將漏熱蒸發(fā)的氦氣重新冷凝成液氦而循環(huán)使用。國外曾開發(fā)用開放式0.5 T無液氦超導(dǎo)磁體的醫(yī)用磁共振成像儀。因此低溫制冷機(jī)是有解決的可能。

2.2 “失超”保護(hù)

低溫超導(dǎo)磁體具有“失超”保護(hù)系統(tǒng)，在制造過程中試充磁時(shí)，或安裝調(diào)試充磁時(shí)，或液氦液位過低時(shí)，或磁體真空損壞或漏氣時(shí)均會引起“失超”?！笆С北Ｗo(hù)系統(tǒng)可以將磁體超導(dǎo)線圈中所儲存的能量釋放掉，以防損壞線圈系統(tǒng)及磁體，使之可以再次進(jìn)行充磁。

“失超”時(shí)，磁體中的液氦將快速吸熱汽化，通過頂部管道沖開爆破膜排到室外。一次“失超”大約將損失磁體內(nèi)1/2的液氦。

無液氦磁體沒有液氦，“失超”保護(hù)系統(tǒng)必須另行設(shè)計(jì)試驗(yàn)及安排。

可將磁體設(shè)計(jì)為具有液氮保溫層的結(jié)構(gòu)型式，“失超”保護(hù)回路置于液氮層中就可以解決“失超”保護(hù)問題。增加液氮保溫層有下列優(yōu)點(diǎn)。

(1)“失超”保護(hù)回路的作用在于一旦“失超”，線圈中所儲能量通過旁路線圈發(fā)熱使液氮吸熱氣化放空，達(dá)到使線圈系統(tǒng)的溫升在安全范圍內(nèi)，而使得線圈系統(tǒng)不致于損壞，以便對線圈系統(tǒng)進(jìn)行再次充磁程序。液氮的汽化潛熱遠(yuǎn)大于液氦，一次“失超”損失液氮比液氦數(shù)量少得多，成本也相對低得多。液氮是空分制氧的副產(chǎn)品，既不稀缺又價(jià)格低廉。

(2)利用液氮的蒸發(fā)吸熱還可減輕氦制冷機(jī)的負(fù)荷。液氮溫度為77 K。從77 K到4 K之間的高真空多層絕熱層和支撐結(jié)構(gòu)的漏熱由氦制冷機(jī)承擔(dān)。從室溫300 K到液氮77 K之間的高真空多層絕熱層和支撐結(jié)構(gòu)的漏熱由液氮的汽化承擔(dān)。高真空多層絕熱層對液氮的保溫效果是很好的，漏熱量很少，因此液氮蒸發(fā)量是不大的。補(bǔ)充液氮也比補(bǔ)充液氦要方便得多。

2.3 線圈骨架材料及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作

液氦磁體的超導(dǎo)線圈、超導(dǎo)開關(guān)、超導(dǎo)接頭、充磁引線等在充磁時(shí)均浸沒在液氦中，散熱條件非常好，充磁過程不易發(fā)生“失超”。無液氦磁體就不具備這樣良好的散、傳熱條件。如何確保無液氦磁體充磁過程的散熱、傳熱，線圈骨架材料及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及制作也將成為無液氦磁體研發(fā)、試驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

(1)線圈骨架材料及線圈制作

現(xiàn)代液氦磁體的線圈骨架材料一般采用低溫環(huán)氧樹脂玻璃鋼，線圈繞制在其上，可以不進(jìn)行絕緣處理。其導(dǎo)熱系數(shù)低，支撐傳熱較小。由于線圈骨架大，所以無液氦磁體將使用導(dǎo)熱較好的合金鋁作為線圈骨架材料，在線圈槽內(nèi)涂低溫環(huán)氧樹脂絕緣薄層，對線圈繞組用低溫環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌注固化。這樣，既有利于防止充磁時(shí)線圈位移磨擦發(fā)熱引起“失超”，又可增加熱傳導(dǎo)，提高制冷效果。

(2)磁體總體設(shè)計(jì)

為了使改造后磁體能利用原醫(yī)用超導(dǎo)磁共振成像儀的梯度線圈、全部射頻線圈、勻場機(jī)構(gòu)、全部超導(dǎo)線、超導(dǎo)開關(guān)、床、控制面板以及成像系統(tǒng)的軟、硬件，需在這些條件限制下進(jìn)行磁體設(shè)計(jì)，以達(dá)到最理想的經(jīng)濟(jì)效果及社會效果。

以原超導(dǎo)磁體的主線圈參數(shù)，如主線圈電流強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度、線圈結(jié)構(gòu)尺寸、導(dǎo)線繞制方法等，作為設(shè)計(jì)的原始依據(jù)進(jìn)行磁體總體設(shè)計(jì)。改造后的主線圈骨架采用鋁材，低溫系統(tǒng)為主線圈系統(tǒng)置于真空腔內(nèi)，真空腔外安置第一高真空多層絕熱層，第一高真空多層絕熱層外安置液氮腔。液氮腔外安置第二高真空多層絕熱層，第二高真空多層絕熱層的外筒為磁體的外筒。

磁體選用單個(gè)單級制冷機(jī)，但設(shè)計(jì)兩個(gè)安裝氦制冷機(jī)冷頭（Cool Head）的隔離的小真空腔，便于更換冷頭時(shí)可以連續(xù)不間斷地工作。

2.4 超導(dǎo)接頭的設(shè)計(jì)及制作

為了利用回收原磁體的超導(dǎo)線和超導(dǎo)開關(guān)，超導(dǎo)開關(guān)必須重新現(xiàn)場制作，接頭將增加數(shù)量并重新安排繞線的設(shè)計(jì)。接頭電阻要求將更小、更可靠。

超導(dǎo)接頭在國內(nèi)已有成熟技術(shù)，不論是壓接法或焊接法均能符合要求。

2.5 充磁引線的設(shè)計(jì)

現(xiàn)代液氦超導(dǎo)磁體充磁時(shí)，通過紋波系數(shù)很小，低壓大電流的直流穩(wěn)壓電源將直流電引入超導(dǎo)線圈，充電時(shí)電流從小到大逐漸升高(最高需升至700～800 A)，直至磁場強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，然后將超導(dǎo)開關(guān)接通，形成線圈中無源環(huán)流，此時(shí)充磁完成。充磁電源的直流引線由常溫接入低溫，溫差300 K，并由常導(dǎo)線過渡到超導(dǎo)線，為此設(shè)計(jì)了專用的以低溫氦氣冷卻的可拔式接頭來進(jìn)行充磁。

無液氦超導(dǎo)磁體充磁時(shí)，不具有不斷釋放的4 K冷氦氣來冷卻引線插頭及導(dǎo)線，應(yīng)設(shè)計(jì)適用于無液氦超導(dǎo)磁體充磁的插頭及導(dǎo)線，可將引線經(jīng)由液氮腔預(yù)冷，進(jìn)入磁體引線溫升保持在77 K，后接由制冷機(jī)冷頭冷卻的高溫超導(dǎo)接線，再過渡連接低溫超導(dǎo)線。同時(shí)將充磁時(shí)序設(shè)計(jì)為間歇性分段充磁，這將比液氦超導(dǎo)磁體充磁更安全可靠。

在解決難點(diǎn)時(shí)應(yīng)對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行小尺寸模型試驗(yàn)。因?yàn)榈蜏毓こ淌羌荣M(fèi)時(shí)又費(fèi)錢的工作。每一步都必須計(jì)劃周全，力爭一次得到結(jié)果。

3 總結(jié)

開發(fā)新的低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)是一個(gè)多學(xué)科的系統(tǒng)工程，投資風(fēng)險(xiǎn)較大。將液氦低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)改造成無液氦低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)作為第一步，既有現(xiàn)實(shí)的需要，也可降低投資和風(fēng)險(xiǎn)。雖然存在上述技術(shù)難點(diǎn)，且技術(shù)難度高，但技術(shù)難點(diǎn)集中。通過改造磁體積累了資金，培養(yǎng)了人才，完善了裝備，摸清了市場，為開發(fā)研制新的無液氦低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)作好了充分的準(zhǔn)備。

4 展望

在完成新的無液氦低溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)的過程中，還可同時(shí)開展兩方面的研發(fā)：

(1)改造國內(nèi)已裝備波譜儀的液氦低溫超導(dǎo)磁體為無液氦低溫超導(dǎo)磁體。波譜儀是制藥、精細(xì)化工等必備的分析手段，這種超導(dǎo)磁體場強(qiáng)高(8～18 T甚至更高)，樣品腔小，磁體相對也小。它們也會因液氦的短缺或斷供，這些儀器設(shè)備同樣面臨閑置、報(bào)廢的命運(yùn)，也急需進(jìn)行無液氦化改造。國際上已有波譜儀的無液氦低溫超導(dǎo)磁體商品生產(chǎn)，技術(shù)已基本成熟，正在逐步推廣應(yīng)用，但價(jià)格昂貴。

(2)醫(yī)用超導(dǎo)磁共振成像儀和分析用波譜儀所配置的圖像系統(tǒng)的軟、硬件可相應(yīng)進(jìn)行逐步國產(chǎn)化。這是我國急需補(bǔ)缺的工作。解決磁體問題只是解決了問題的一半。我國的成像系統(tǒng)需更快發(fā)展，這樣才能使我國MRI和NMR制造事業(yè)推向一個(gè)高潮。