研發(fā)MRI無(wú)氦超導(dǎo)磁體的可行性及技術(shù)要點(diǎn)

【作 者】余慧嫻

杭州美諾瓦醫(yī)療科技股份有限公司，杭州市，310053

0 引言

二十世紀(jì)八十年代初，醫(yī)用MRI由于需要較高的磁場(chǎng)強(qiáng)度，裝備了低溫超導(dǎo)磁體。

低溫超導(dǎo)磁體的技術(shù)特點(diǎn)為：①使用鈮鈦（NbTi）超導(dǎo)線（臨界溫度5 K）；②用液氦浸泡超導(dǎo)線制冷(常壓下4.2 K)，外包液氮冷屏（常壓下77 K）；③高真空多層絕熱，以減少液氮、液氦的日蒸發(fā)量。

經(jīng)過(guò)近四十年的發(fā)展，醫(yī)用MRI已普及到全球各大醫(yī)院，成為不可缺少的醫(yī)療診斷設(shè)備，為此，液氦的消耗量急驟增加，成為全球氦消耗的主要行業(yè)，同時(shí)也是運(yùn)行成本居高不下的主要因素。

在這三十多年中，醫(yī)用MRI超導(dǎo)磁體在技術(shù)上不斷地進(jìn)行改進(jìn)，下面將列舉各技術(shù)特點(diǎn)的改進(jìn)要點(diǎn)：

（1）近年來(lái)，超導(dǎo)材料在科技上有很大的進(jìn)展，臨界溫度有的已經(jīng)達(dá)到液氮溫度。但遺憾的是，尚無(wú)一種材料能替代鈮鈦超導(dǎo)線制作成像區(qū)1.5 T以上的醫(yī)用MRI超導(dǎo)磁體主線圈（數(shù)據(jù)均以1.5 T磁體為例）。

用于醫(yī)用MRI超導(dǎo)磁體主線圈的超導(dǎo)線必須滿足下列要求：

在臨界溫度下，運(yùn)行電流400～700 A ，峰值磁場(chǎng)強(qiáng)度大于6 T，繞制彎曲半徑0.5 in，具有一定的抗拉強(qiáng)度，便于制作超導(dǎo)接頭及超導(dǎo)開關(guān)，還需要考慮經(jīng)濟(jì)因素（一個(gè)醫(yī)用1.5 T MRI超導(dǎo)磁體主線圈需60 000米以上的超導(dǎo)線）等等。目前僅鈮鈦超導(dǎo)線尚能符合上述綜合因素。

（2）醫(yī)用MRI超導(dǎo)磁體制冷系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)展最大，由早期液氮+液氦制冷進(jìn)展為液氦+氦制冷機(jī)制冷，隨著氦制冷機(jī)性能進(jìn)一步提高，液氦蒸發(fā)量越來(lái)越少，氦制冷機(jī)制冷的功率越來(lái)越大。當(dāng)氦制冷機(jī)的制冷功率大于磁體漏熱總功率，二級(jí)冷頭制冷溫度達(dá)到4.2 K時(shí)，液氦可達(dá)到“零”消耗。這就使得設(shè)計(jì)制造“無(wú)氦超導(dǎo)磁體”成為可行。

1 無(wú)氦磁體的主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)（以醫(yī)用1.5T超導(dǎo)磁體為例）

1.1 總體結(jié)構(gòu)

1.1.1 液氦磁體總體結(jié)構(gòu)（圖1）

內(nèi)、外主線圈構(gòu)成主線圈組合，浸在液氦筒內(nèi)的液氦中，液氦筒內(nèi)為常壓狀態(tài)，有頸管結(jié)構(gòu)直通磁體外，頸管中裝有可拔式充電插頭，氦氣排氣管道，失超時(shí)快速排放氦氣的帶爆裂膜結(jié)構(gòu)的排氣管道（直通室外）。有磁體內(nèi)各參數(shù)測(cè)量傳感器及其引線及插座，預(yù)冷液氮及液氦加注管口及管道等等。

頸管結(jié)構(gòu)復(fù)雜，漏熱大，給制冷機(jī)增加不少的熱負(fù)荷。液氦筒外表溫度為4.2 K。液氦筒外為高真空多層絕熱層，液氦筒和高真空多層絕熱層用支撐桿懸掛在第二冷屏上。第二冷屏連接氦制冷機(jī)冷頭的二級(jí)冷頭，第二冷屏溫度為20 K左右。

圖1 液氦磁體剖面示意圖Fig.1 Sectional drawing of LHe magnet

第二冷屏外為高真空多層絕熱層，高真空多層絕熱層連同液氦筒、第二冷屏，用支撐桿懸掛在第一冷屏上。第一冷屏連接氦制冷機(jī)冷頭的一級(jí)冷頭，第一冷屏溫度為50 K左右[1]。

第一冷屏外為高真空多層絕熱層，高真空多層絕熱層連同液氦筒、第二冷屏、第一冷屏，用支撐桿懸掛在最外面的真空筒上。真空筒溫度為300 K左右（即環(huán)境溫度）。

1.1.2 無(wú)氦磁體總體結(jié)構(gòu)（圖2）

圖2 無(wú)氦磁體剖面示意圖Fig.2 Sectional drawing of Helium-free magnet

內(nèi)、外主線圈構(gòu)成主線圈組合，與冷頭二級(jí)相連接，溫度為4.2 K左右。

主線圈組合外為高真空多層絕熱層，用支撐桿懸掛在冷屏上。冷屏連接氦制冷機(jī)冷頭的一級(jí)，冷屏溫度為50 K[2]。

冷屏外為高真空多層絕熱層，連同主線圈組合，高真空多層用支撐桿懸掛在最外面的真空筒上。真空筒溫度為300 K左右（即環(huán)境溫度）。

主線圈組合與冷屏均處于高真空中，這是液氦磁體與無(wú)氦磁體結(jié)構(gòu)上的最大不同處。

1.2 無(wú)氦磁體關(guān)鍵部件及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.2.1 制冷機(jī)的選擇及冷頭的安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

無(wú)氦磁體的超導(dǎo)線圈組合能長(zhǎng)年保持在4.2 K的臨界溫度下，是由氦制冷機(jī)組不間斷連續(xù)工作將進(jìn)入磁體的漏熱交換出磁體才能保持的，氦制冷機(jī)組的制冷量必須超過(guò)磁體總漏熱，能在4.2 K以下有足夠的制冷功率，并具有充分的富裕量[3]。

目前使用的制冷機(jī)組主要是GM制冷機(jī)和脈管制冷機(jī)兩種，其中冷頭均具有兩級(jí)（一級(jí)約35～50 K，40 W左右，二級(jí)4.2 K以下，1.0～1.5 W）。GM制冷機(jī)使用歷史較早，現(xiàn)有商品1.5 T以上醫(yī)用MRI磁體上基本上都采用它，很少使用脈管制冷機(jī)。GM制冷機(jī)振動(dòng)及噪聲較大，但技術(shù)成熟，性能可靠。脈管制冷機(jī)則噪聲很小，但不夠成熟。兩者各有所長(zhǎng)，按可變更接口設(shè)計(jì)。遺憾的是國(guó)產(chǎn)的商品化的氦制冷機(jī)組供應(yīng)尚未形成，幾乎全依賴進(jìn)口。

無(wú)氦磁體上可安裝單冷頭，也可安裝雙冷頭，例如：安裝一臺(tái)SRDK-415D制冷機(jī)（一級(jí)冷頭50 K，35 W，二級(jí)冷頭 4.2 K，1.5 W）。 安裝兩臺(tái)SRDK-408D2制冷機(jī)（每臺(tái)一級(jí)冷頭43 K，40 W，二級(jí)冷頭4.2 K，1.0 W，兩臺(tái)則為一級(jí)冷頭43 K，80 W，二級(jí)冷頭 4.2 K，2.0 W）。安裝兩臺(tái)氦制冷機(jī)組，確保足夠的制冷量，有利于冷頭的更換及維修，有利于改善主線圈組件的熱梯度。

氦制冷機(jī)組由安裝在磁體上的冷頭、氦壓縮機(jī)及水冷（或空冷）機(jī)組等三部分組合而成。冷頭一般運(yùn)行壽命為20 000 h（約2 年左右）而磁體壽命可達(dá)10 年以上，為使更換或維修冷頭時(shí)，磁體大真空不至于被破壞，主線圈組件能在更換或維修冷頭時(shí)維持4.2 K溫度而不會(huì)失超，需在磁體上安裝冷頭夾套。夾套裝有相對(duì)應(yīng)的一、二級(jí)和冷頭一、二級(jí)相接觸的接觸板，它們的接觸效率是否良好將嚴(yán)重影響冷頭的制冷效果，夾套外的一、二級(jí)上將安裝低溫溫度傳感器，以監(jiān)測(cè)冷頭安裝的正確與否及長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)冷頭效率的變化。

冷頭安裝后，夾套內(nèi)再抽真空，形成小真空。

1.2.2 無(wú)氦磁體主線圈組合的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

主線圈由NbTi超導(dǎo)線繞制而成，液氦磁體主線圈與無(wú)氦磁體主線圈的設(shè)計(jì)差別不大，線圈由內(nèi)、外兩筒組成。

無(wú)氦磁體與液氦磁體主線圈組合的冷卻方式不同。液氦磁體主線圈組合裝在液氦筒內(nèi)，下部浸在液氦（4.2 K）中，上半部處于4.2 K溫度的氦蒸汽中，超導(dǎo)線冷卻良好，制冷機(jī)只是以減少液氦蒸發(fā)為目的。無(wú)氦磁體主線圈組合懸掛在鋁制冷屏上，處于高真空中，不設(shè)液氦筒，組件直接連接冷頭夾套的二級(jí)（4.2 K），線圈骨架以固體傳導(dǎo)方式冷卻超導(dǎo)線圈。線圈骨架一般用低溫環(huán)氧玻纖、不銹鋼或合金鋁加工而成，超導(dǎo)線繞制其上形成線圈組。

液氦磁體主線圈組件上安裝有超導(dǎo)接頭，超導(dǎo)開關(guān)和失超保護(hù)裝置，無(wú)氦磁體主線圈組件同樣需安裝超導(dǎo)接頭，超導(dǎo)開關(guān)和失超保護(hù)裝置。

無(wú)氦磁體主線圈組合的超導(dǎo)接頭和超導(dǎo)開關(guān)結(jié)構(gòu)與液氦磁體主線圈組合的結(jié)構(gòu)基本相同，但連接及安裝位置有區(qū)別，因液氦磁體主線圈組合上安裝的超導(dǎo)接頭，超導(dǎo)開關(guān)和失超保護(hù)裝置均安裝在組合的底部，始終浸泡在液氦中，冷卻條件極好，無(wú)氦磁體中無(wú)液氦，這些部件的冷卻需要靠固體傳導(dǎo)來(lái)冷卻。

對(duì)無(wú)氦磁體主線圈失超保護(hù)裝置需設(shè)計(jì)新的結(jié)構(gòu)，這是無(wú)氦磁體需要攻克的關(guān)鍵之一。

液氦磁體失超保護(hù)的原理之一是：超導(dǎo)線在超導(dǎo)狀態(tài)下電阻接近于“零”，一旦發(fā)生失超時(shí)，超導(dǎo)線的電阻會(huì)大大高于鋁、銅等導(dǎo)體，在超導(dǎo)線圈環(huán)路上并聯(lián)由常導(dǎo)金屬制造的環(huán)路。失超時(shí)，線圈中的電流流入電阻小的常導(dǎo)環(huán)路，使環(huán)路導(dǎo)體吸收能量使其溫度升高，周圍的液氦猛烈汽化吸收能量，通過(guò)應(yīng)急管道排出室外。1.5 T磁體一次失超將損耗700 立升以上的液氦。如果失超保護(hù)裝置正常運(yùn)行，添加液氦后，可重新充磁[4]。

無(wú)氦磁體失超保護(hù)的原理之一是：在超導(dǎo)線圈環(huán)路上并聯(lián)由常導(dǎo)金屬的環(huán)路，該環(huán)路利用線圈骨架代替環(huán)路導(dǎo)體，失超時(shí)將線圈中的電流引入電阻小的線圈骨架常導(dǎo)環(huán)路，使線圈骨架導(dǎo)體溫度升高，線圈骨架導(dǎo)體必須滿足三個(gè)條件，一是線圈骨架導(dǎo)體有足夠高的熱導(dǎo)率，使熱量迅速傳播整個(gè)線圈骨架導(dǎo)體，有利于散熱。二是線圈骨架導(dǎo)體環(huán)路導(dǎo)體有足夠大的熱容量，在完全吸收主線圈能量后，線圈骨架導(dǎo)體任何部位升溫后溫度不超過(guò)30～40 度（升溫幅度在300 度左右），確保磁體內(nèi)材料、結(jié)構(gòu)、傳感器不損壞，以便再次充磁。三是線圈骨架常導(dǎo)環(huán)路導(dǎo)體有較大的電阻率，有較小的總電阻，升溫后電阻仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于超導(dǎo)線圈失超后的電阻。因此，線圈常導(dǎo)環(huán)路導(dǎo)體材質(zhì)應(yīng)選擇無(wú)磁不銹鋼。

超導(dǎo)線圈骨架的材料可選擇低溫環(huán)氧玻纖、鋁合金或不銹鋼。鋁合金或不銹鋼骨架加工方便，強(qiáng)度較高，材質(zhì)均勻，能較好地保證超導(dǎo)線圈的尺寸精度，有利于勻場(chǎng)，但由于現(xiàn)代MRI的高梯度場(chǎng)快速切換，會(huì)在金屬骨架中產(chǎn)生蝸流，出現(xiàn)不應(yīng)有的附加磁場(chǎng)而影響圖像質(zhì)量。

對(duì)無(wú)氦磁體超導(dǎo)線圈骨架的材料不僅需考慮支撐超導(dǎo)線圈，同時(shí)需兼顧傳導(dǎo)冷量及失超保護(hù)裝置的安排。無(wú)氦磁體超導(dǎo)線圈骨架可考慮選用低溫環(huán)氧玻纖作為基材，將不銹鋼失超保護(hù)環(huán)路和銅質(zhì)導(dǎo)熱棒組合加工形成復(fù)合材料線圈骨架。這樣可能會(huì)增加設(shè)計(jì)及加工的復(fù)雜程度。

無(wú)氦磁體超導(dǎo)線圈組件中的超導(dǎo)線圈是否需要用低溫環(huán)氧樹脂固化，低溫環(huán)氧樹脂中是否需要添加改善導(dǎo)熱性的材料，需經(jīng)模擬試驗(yàn)來(lái)確定。

1.2.3 充電插頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

充電是超導(dǎo)磁體制造過(guò)程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，順利地完成充電（也即充磁）才能認(rèn)為超導(dǎo)磁體制造成功，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)及制造過(guò)程中均應(yīng)排除所有可能引起失超的因素。

滿充電壓一般為直流12 V左右，滿充電流為直流400～700 A范圍之內(nèi)。充電從0 V開始，逐漸升高，電流逐漸平穩(wěn)升高，直至成像球區(qū)域磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的場(chǎng)強(qiáng)（例如1.5 T）。此時(shí)電流從0 A升至設(shè)計(jì)的滿充電流（例如500 A），隨著電流逐漸平穩(wěn)升高，從充電電源至超導(dǎo)線圈回路中的常導(dǎo)引線將逐漸升溫。熱量沿著導(dǎo)線、插頭，進(jìn)入磁體，在液氦磁體充磁時(shí)，電流由常導(dǎo)導(dǎo)線過(guò)渡到超導(dǎo)線圈時(shí)，充電插頭由排出的冷氦氣冷卻，避免了熱量傳至超導(dǎo)線圈，避免失超的發(fā)生。無(wú)氦磁體無(wú)冷氦氣冷卻的條件，無(wú)氦磁體超導(dǎo)線圈組件安置于真空中，因此，充電插頭結(jié)構(gòu)必須具備下列性能：

可分離的充電插頭，上部“+”“-” 極插頭安裝在一個(gè)小的不銹鋼波紋管液氮槽中，液氮槽焊接在不銹鋼真空筒上將插頭上部與磁體大真空隔離，上部“+”“-” 極插頭安裝可手動(dòng)操作上下運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)。插頭下部“+”“-” 極插頭固定在冷屏上，并與充電引線連接，充電引線由紫銅棒，高溫超導(dǎo)線及主線圈引線組合焊接而成。充電時(shí)，上部“+”“-”極插頭向下運(yùn)動(dòng)，使充電插頭上、下部良好接觸，在不銹鋼波紋管液氮槽中加注液氮，在充電全過(guò)程中保持充電插頭上、下部處于77 K溫度。此時(shí)充電引線中的高溫超導(dǎo)線處于超導(dǎo)狀態(tài)，電流通過(guò)不產(chǎn)生熱量，充電引線貼近冷屏下行降溫至50 K，高溫超導(dǎo)線仍處于超導(dǎo)狀態(tài)，電流通過(guò)不產(chǎn)生熱量。當(dāng)充電引線貼近超導(dǎo)線圈組件進(jìn)入主線圈降溫至4.2 K左右，高溫超導(dǎo)線及主線圈引線均處于超導(dǎo)狀態(tài)，大電流通過(guò)時(shí)在充電過(guò)程中無(wú)熱量產(chǎn)生，可確保充電環(huán)節(jié)由引線發(fā)熱而發(fā)生失超的現(xiàn)象不再出現(xiàn)。

1.2.4 無(wú)氦磁體抽真空技術(shù)要點(diǎn)

一般要求保持1.33×10-2Pa（1×10-4mmHg）以下壓強(qiáng)的真空度就能滿足高真空絕熱的要求，隨時(shí)間的推移真空度會(huì)下降，超過(guò)1.33×10-2Pa（1×10-4mmHg）時(shí)，漏熱會(huì)迅速增加，因無(wú)氦磁體沒(méi)有液氦作低溫的補(bǔ)償，當(dāng)漏熱超過(guò)制冷機(jī)組的制冷量，主線圈組件溫度則上升，一旦超導(dǎo)線圈環(huán)路上任何一處超過(guò)臨界溫度磁體將發(fā)生“失超”。

為此需關(guān)注以下要點(diǎn)：

無(wú)氦磁體抽真空前應(yīng)嚴(yán)格真空檢漏。雖磁體內(nèi)已無(wú)氦，但最好仍進(jìn)行氦質(zhì)譜檢漏。

抽真空時(shí)應(yīng)達(dá)到較高的真空度要求，如1.33×10-4Pa（1×10-6mmHg）。

建立具有雙真空檢測(cè)規(guī)的真空?qǐng)?bào)警系統(tǒng)。比如，當(dāng)測(cè)得真空度為1.33×10-3Pa（1×10-5mmHg）時(shí)顯示警告信號(hào)，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)充抽真空。

無(wú)氦磁體的真空抽口應(yīng)設(shè)計(jì)成便于補(bǔ)充抽真空的結(jié)構(gòu)。

1.2.5 無(wú)氦磁體的預(yù)冷

1.5 T以上的超導(dǎo)磁體超導(dǎo)線圈組件及冷屏等附件總質(zhì)量超過(guò)5 T以上，熱容量很大。啟動(dòng)制冷機(jī)系統(tǒng)前均使用廉價(jià)的液氮預(yù)冷，從300 K左右冷卻到77 K左右。

液氦磁體抽大真空后，通過(guò)頸管直接將液氮噴淋在裝有主線圈的液氦筒內(nèi)，以減少液氦冷卻時(shí)的消耗量為目的。

無(wú)氦磁體抽大真空后，預(yù)冷是以加快冷卻速度和減少制冷系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為目的。無(wú)氦磁體主線圈組合裝在真空筒內(nèi)，不能用液氮噴淋主線圈組合的方法來(lái)預(yù)冷，而通過(guò)將液氮灌注在冷頭夾套中，夾套的一、二級(jí)通過(guò)導(dǎo)冷帶預(yù)冷主超導(dǎo)線圈組件及冷屏。待主超導(dǎo)線圈組件溫度達(dá)到77 K左右停止液氮灌注，安裝冷頭，完成后，抽夾套小真空，開啟制冷系統(tǒng)，測(cè)試檢查冷頭安裝情況及制冷效果，如合格，待主線圈組件達(dá)到4.2 K時(shí)，完成磁體的冷卻操作。

1.2.6 各種引線（包括：測(cè)溫傳感器，超導(dǎo)開關(guān)操作等）設(shè)計(jì)要點(diǎn)

超導(dǎo)磁體有許多測(cè)溫傳感器，以監(jiān)測(cè)不同部位在預(yù)冷、制冷系統(tǒng)制冷、充磁及磁體運(yùn)行過(guò)程等的溫度狀態(tài)。這些溫度傳感器需要用導(dǎo)線引出磁體連接到磁體外的控制器上。

超導(dǎo)磁體有主線圈超導(dǎo)開關(guān)，補(bǔ)償線圈超導(dǎo)開關(guān)等等。在充磁過(guò)程需操作超導(dǎo)開關(guān)中加熱電阻的上電及關(guān)電，這些開關(guān)的導(dǎo)線需要用導(dǎo)線引出磁體連接到磁體外的控制器上。

為了減少測(cè)量及操作過(guò)程的漏熱和電流在引線中產(chǎn)生的熱量，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)使用真空隔離可分離的真空插頭，并在引線上附加超導(dǎo)線。

1.3 無(wú)氦磁體與液氦磁體特點(diǎn)比較

（1）液氦磁體是低溫容器，更屬于壓力容器。磁體的真空筒或液氦筒一旦被損壞或真空突然破壞，磁體內(nèi)液氦將迅速被氣化，體積驟增700倍左右，筒內(nèi)壓力迅速加大，尤其是一旦液氦筒受損，液氦迅速吸入真空層，外殼真空筒所受壓力突然加大，甚至引起爆炸。

無(wú)氦磁體是低溫容器，磁體的外殼真空筒僅受外表向內(nèi)的壓力，一旦真空突然破壞，只會(huì)引起線圈失超磁場(chǎng)消失，不會(huì)造成傷害事故。

無(wú)氦磁體在安全性上優(yōu)于液氦磁體。

（2）液氦磁體失超時(shí)磁體內(nèi)液氦將迅速被氣化，沖破安裝在頸管上的爆破膜進(jìn)入100 mm以上口徑的排氣管排放到室外大氣中。室內(nèi)充滿氦氣，會(huì)使人窒息。排氣管需防止外表形成液空，同時(shí)需防富氧區(qū)爆炸。一次失超1.5 T磁體將損失700 立升以上的液氦。失超后無(wú)需重新預(yù)冷可直接加注液氦，然后重新充電（充磁）。

無(wú)氦磁體失超時(shí)，磁體主超導(dǎo)線圈組件的線圈架將升溫300 度以上，主磁場(chǎng)消失，因磁體處于真空狀態(tài)，因升溫局限于主超導(dǎo)線圈組件，真空度可能會(huì)降低。重新充電前需檢查磁體的各種測(cè)量數(shù)據(jù)，只有各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后方能重新充電。

（3）無(wú)氦磁體比液氦磁體減少了液氦筒、第二冷屏及它們之間的多層防輻射層，使得在相同的超導(dǎo)主線圈參數(shù)的情況下磁體可以減小外徑、縮短長(zhǎng)度、擴(kuò)大人孔、減輕總重量。另外無(wú)液氦大大降低生產(chǎn)成本和維護(hù)費(fèi)用。

（4）無(wú)氦磁體不設(shè)頸管，各類插頭均采用真空隔離可分離的結(jié)構(gòu)，因此漏熱相對(duì)于液氦磁體減少很多，有利于制冷機(jī)系統(tǒng)的選擇，冷量的富裕確保無(wú)氦磁體長(zhǎng)時(shí)間的安全運(yùn)行。

2 無(wú)氦磁體研發(fā)的必要性及可行性

（1）國(guó)內(nèi)各三甲醫(yī)院均裝有1.5 T以上的超導(dǎo)MRI數(shù)千臺(tái)，配置的均為液氦磁體（當(dāng)前市場(chǎng)保有量的一半在2020年前被替換）。

我國(guó)近年來(lái)對(duì)氦的需求量越來(lái)越大，但氦是一種稀缺資源，氦氣在飛船發(fā)射、導(dǎo)彈武器工業(yè)、低溫超導(dǎo)研究、半導(dǎo)體生產(chǎn)等方面具有重要用途，由于受制于氦氣資源匱乏、提取氦氣的成本較高，中國(guó)在需求上一直依賴進(jìn)口。未來(lái)氦氣進(jìn)口的情況不容樂(lè)觀。一旦美國(guó)收緊液氦的出口，中國(guó)現(xiàn)有的許多使用氦氣和液氦的科研項(xiàng)目和醫(yī)療項(xiàng)目將出現(xiàn)斷供的困境。因此，必須盡早預(yù)防。

無(wú)氦磁體是解決醫(yī)療項(xiàng)目對(duì)氦氣和液氦的依賴的最有效方法。

（2）在高溫超導(dǎo)材料尚不能商品化應(yīng)用于超導(dǎo)MRI的情況下。用氦制冷機(jī)使超導(dǎo)線圈冷卻到4.2 K，NbTi超導(dǎo)線圈可以實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)。

制冷機(jī)制冷磁體的溫度恒定性、均勻性不如液氦磁體，對(duì)于精確成像可能不利。這是無(wú)氦磁體有待解決的最主要的問(wèn)題。

液氦磁體的主超導(dǎo)線圈組件浸泡在液氦中，每次加注至液氦筒的80%～90%。隨著液氦的吸熱氣化液面逐漸降低，當(dāng)降至30%左右時(shí)應(yīng)加注液氦。主超導(dǎo)線圈組件的上半部分長(zhǎng)期處于冷氦氣中，因此，主超導(dǎo)線圈組件上下部分也存在一定的溫差變化。其溫差變化需進(jìn)行測(cè)量，以求得溫差變化的允許值。

無(wú)氦磁體的主超導(dǎo)線圈組件全靠氦制冷機(jī)制冷，主超導(dǎo)線圈組件內(nèi)存在熱梯度。隨著氦制冷機(jī)長(zhǎng)期工作效率下降，真空筒內(nèi)真空度的下降，主超導(dǎo)線圈組件溫度會(huì)逐漸上升漂移。雖然制冷機(jī)冷頭為活塞往返運(yùn)動(dòng)制冷為間歇性的，但主超導(dǎo)線圈組件質(zhì)量很大（5～6 t），熱容量很大，所以溫度的漂移是緩慢而漸變的，而熱梯度幾乎是不變的。

雙冷頭有利于改善主線圈組件的熱梯度。定期監(jiān)測(cè)真空度，適時(shí)補(bǔ)抽真空，減少漏熱。定期監(jiān)測(cè)主線圈組件的溫度變化，冷頭采取閉環(huán)變頻控制，以恒定主線圈組件溫度。定期進(jìn)行勻場(chǎng)修正。以上措施是否能解決無(wú)氦磁體的圖像質(zhì)量問(wèn)題，仍需經(jīng)過(guò)試驗(yàn)才能確定。

（3）國(guó)內(nèi)研發(fā)無(wú)氦磁體在技術(shù)上除氦制冷機(jī)組需從日本、美國(guó)進(jìn)口外，已無(wú)技術(shù)問(wèn)題。關(guān)鍵在于需對(duì)上述的重點(diǎn)技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行攻關(guān)和驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上研制新的1.5 T無(wú)氦超導(dǎo)磁體的設(shè)計(jì)需符合目前大多數(shù)醫(yī)院中使用的1.5 T MRI所安裝的的勻場(chǎng)機(jī)構(gòu)、梯度線圈、全容積射頻線圈、梯度功放、射頻功放、譜儀等全套成像系統(tǒng)，為之配套才能進(jìn)行成像試驗(yàn)及磁體替代。

（4）研發(fā)無(wú)氦磁體是一個(gè)技術(shù)復(fù)雜、周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)大的項(xiàng)目。但卻是必須進(jìn)行，而且也是收益巨大的項(xiàng)目。

無(wú)氦磁體有上述多項(xiàng)新的結(jié)構(gòu)需要試制和驗(yàn)證。為減低研制風(fēng)險(xiǎn)，確保新研制的無(wú)氦磁體設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)正確性，應(yīng)首先進(jìn)行模擬試驗(yàn)平臺(tái)。

模擬試驗(yàn)平臺(tái)既作為無(wú)氦磁體新結(jié)構(gòu)的模擬試驗(yàn)平臺(tái)，之后可以作為生產(chǎn)用檢驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)的樣機(jī)用。

經(jīng)過(guò)模擬試驗(yàn)平臺(tái)的驗(yàn)證，成功有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就可以用于新磁體的具體設(shè)計(jì)中。

3 結(jié)束語(yǔ)

磁體雖是MRI主要組成部件之一，完整的MRI還需要復(fù)雜的圖像部分。因氦資源短缺，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的幾千臺(tái)超導(dǎo)1.5 T和3.0 T MRI磁體因液氦問(wèn)題而處于停止運(yùn)行的危機(jī)。因此，當(dāng)務(wù)之急是如何盡快地用無(wú)氦磁體替換現(xiàn)有的液氦磁體。無(wú)氦磁體的市場(chǎng)前景是很樂(lè)觀的，一方面需滿足國(guó)內(nèi)甚至全球范圍液氦磁體的替換，另一方面需滿足新增1.5 T和3.0 T MRI的需求，這會(huì)使我國(guó)MRI制造事業(yè)推向一個(gè)新的高潮。