磁共振勵磁過程中失超的風(fēng)險(xiǎn)因素分析

【作 者】王宏杰，金錦江，王立堅(jiān)，褚永華

浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院，杭州市，310009

0 引言

磁共振以其特殊的成像優(yōu)勢，在病人病情檢查中發(fā)揮著越來越重要的作用，但由于自身成像速度限制，目前大醫(yī)院磁共振都需要預(yù)約較長時(shí)間。而磁共振一些有危險(xiǎn)性的維修，比如冷頭更換、重新勻場、磁體除冰、梯度線圈更換等維修時(shí)，需要降場操作。維修完畢后，勵磁過程是否順利，直接決定磁共振能否按計(jì)劃投入使用，一旦失超，需要重新補(bǔ)充液氦，恢復(fù)時(shí)間漫長，嚴(yán)重影響醫(yī)院病人安排，容易出現(xiàn)矛盾。因此分析勵磁過程中的影響因素，減少勵磁失超有著十分重要的意義，筆者以西門子磁共振為例進(jìn)行分析，由于西門子磁共振勵磁相關(guān)的設(shè)計(jì)具有相似性，因此可通用于1.5 T AERA、1.5 T Avanto、3.0 T Verio、3.0 T Skyra、3.0 T Prisma等西門子主流磁共振。

1 西門子磁共振勵磁原理

磁共振磁體內(nèi)部由主線圈、主動屏蔽線圈、Switch Heaters、Quench Heaters、EIS Switch等組成[1]。當(dāng)磁體勵磁時(shí)，外界控制電路加熱Switch Heaters 使其處于斷開狀態(tài)，從而使磁體內(nèi)外部連通。Switch Heaters是一種可加熱超導(dǎo)開關(guān)，當(dāng)此超導(dǎo)開關(guān)處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)，磁體內(nèi)電流通過超導(dǎo)開關(guān)在主線圈和主動屏蔽線圈內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)，電流內(nèi)部循環(huán)，如圖1所示。當(dāng)超導(dǎo)開關(guān)被加熱后，磁體內(nèi)部電流無法通過超導(dǎo)開關(guān)進(jìn)行循環(huán)，此時(shí)，勵磁電源提供的外部電流可通過磁體正負(fù)電極與超導(dǎo)線圈連通，電路外部連通，如圖2所示。

圖1 電流內(nèi)部循環(huán)Fig.1 Internal current loop

圖2 電路外部連通Fig.2 External current loop

2 勵磁過程中相關(guān)因素分析

分析數(shù)據(jù)選取本院MAGNETOM Avanto磁共振勵磁過程，利用NI Labview和多通道數(shù)據(jù)采集卡每隔2 s進(jìn)行如下關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測：勵磁電源輸出電流；磁體內(nèi)部壓力；磁體電極溫度；CCR4熱敏電阻電壓變化值。

CCR4熱敏電阻電壓值變化情況最能表征磁體內(nèi)部穩(wěn)定性[2]，CCR4電阻位于磁體腔內(nèi)部靠上位置，無液氦浸泡，其電壓變化值可反應(yīng)磁體腔內(nèi)無液氦浸泡的超導(dǎo)線圈部分所處外界環(huán)境的溫度變化。通過對勵磁過程數(shù)據(jù)分析，可得到以下三個(gè)主要階段：

階段一：加壓冷卻磁體電極過程。此過程磁體壓力逐步升高，由15.3 psi（1 psi=6.89 kPa）緩慢增加到16.35 psi附近，此時(shí)磁體16 psi壓力閥門打開，揮發(fā)的氦氣流經(jīng)磁體電極，起到降溫作用，此過程中電極溫度從約50 K下降到20 K左右。

階段二：Cable test過程。電流緩慢升高至約100 A，通過計(jì)算勵磁回路關(guān)鍵連接處壓降情況，測試整個(gè)勵磁回路是否連接完好，避免出現(xiàn)阻值過大[3]。

階段三：勵磁過程。電流逐步升高，對應(yīng)電壓呈現(xiàn)緩慢下降過程，磁體電極溫度迅速爬升，此時(shí)磁體電極需要不斷揮發(fā)氦氣進(jìn)行冷卻，電極溫度-磁體壓力關(guān)系，如圖3所示。

圖3 電極溫度-磁體壓力Fig.3 Current lead temperature-magnet pressure

整個(gè)勵磁過程中電流與CCR4熱敏電阻電壓的變化關(guān)系，CCR4 熱敏電阻變化（見圖4 ）。隨著電流的增加，CCR4電阻上電壓由1 130 mV下降到1 000 mV左右，其對應(yīng)于CCR4位置的溫度為上升。CCR4變化越大，說明磁體內(nèi)超導(dǎo)線圈非浸泡液氦的部分，所處外界環(huán)境溫度變化越大，因而失超風(fēng)險(xiǎn)越高。

圖4 CCR4熱敏電阻的電壓變化Fig.4 Thermistor CCR4 voltage change

此外，液氦量與勵磁穩(wěn)定性也有直接關(guān)系，通過對一臺Verio 3.0 T 磁共振近7年的連續(xù)跟蹤，此磁共振因?yàn)槌?，換冷頭，勻場等先后7次升降場，7次升場（勵磁）前液氦量分別為91.6%、89.2%、84.9%、95.4%、89%、84.2%和50.8%。統(tǒng)計(jì)每次勵磁起始液氦與CCR4變化關(guān)系如圖5所示。圖中可以看出，當(dāng)液氦量為50.8%時(shí)，CCR4 上電壓變化值185 mV，變化范圍最大；當(dāng)液氦量為95.4%時(shí)，CCR4上電壓變化范圍122 mV，變化范圍最小；當(dāng)液氦量84.2%～91.6%時(shí)，CCR4上電壓變化范圍133 mV～139 mV，變化范圍穩(wěn)定。

圖5 液氦-CCR4Fig.5 Helium level-CCR4

由以上參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)變化及勵磁原理分析可得，由上述過程分析可得電極溫度、磁體壓力、勵磁回路線阻、液氦量都是影響勵磁過程的關(guān)鍵因素。降低失超風(fēng)險(xiǎn)，勵磁過程中需注意的關(guān)鍵因素如下：

（1）較高的液氦量，不低于60%，以降低磁體腔內(nèi)部非液氦區(qū)域的溫度波動。

（2）磁體內(nèi)部氣路通暢，從而確保不斷揮發(fā)的氦氣能夠?qū)Υ朋w電極和CCR4電阻所在腔體持續(xù)降溫。

（3）勵磁回路連接線路接觸良好，減少不必要的熱量轉(zhuǎn)換和傳遞。

（4）一次勵磁到目標(biāo)值，避免因超出工作頻率等因素，而進(jìn)行不必要的額外調(diào)整。

3 關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素相關(guān)問題及處理方法

（1）液氦量檢查。升降場操作會有液氦消耗，如果在磁體降場前發(fā)現(xiàn)液氦面較低，建議提前準(zhǔn)備液氦，勵磁開始前確保液氦不低于60%。

（2）磁體內(nèi)部結(jié)冰檢查。能否達(dá)到所需的高磁體壓力與磁體內(nèi)部結(jié)冰情況關(guān)系密切。圖6磁體腔除冰前，所示即為磁體內(nèi)部結(jié)冰，內(nèi)部結(jié)冰阻止氦氣的揮發(fā)，從而不能有效對電極和腔體降溫。因此需對磁體腔內(nèi)結(jié)冰程度進(jìn)行評估，必要時(shí)進(jìn)行除冰處理，圖7磁體腔除冰后，除冰后磁體腔內(nèi)部氣路通暢。

圖6 磁體腔除冰前Fig.6 Magnet cavity before deicing

圖7 磁體腔除冰后Fig.7 Magnet cavity after deicing

（3）復(fù)雜場地環(huán)境檢查。多臺相同磁場強(qiáng)度磁共振，緊鄰放置時(shí)，容易出現(xiàn)CO-SITE磁共振互相干擾的情況。這種情況對磁共振工作頻率有嚴(yán)格要求，因此需確保勵磁目標(biāo)電流設(shè)置準(zhǔn)確，從而使場強(qiáng)相同的磁共振，工作在不同頻率段。因此勵磁前需要根據(jù)實(shí)際場地情況精確計(jì)算目標(biāo)勵磁電流，避免因最終工作頻率不達(dá)標(biāo)進(jìn)行的二次勵磁。即使相同型號磁共振，每臺磁共振的磁體參數(shù)也有差異，具體磁體參數(shù)需參考系統(tǒng)自帶文件Installation Data。Installation Data中可查出Operating currentI(A)，F(xiàn)ield Current ratioR(kHz、0.1Amp)以及對應(yīng)的主磁場強(qiáng)度B0（T），由此所需頻率F（Hz）的勵磁電流S（A）可近似計(jì)算為：

其中f0為氫原子核共振頻率42.577 MHz/T。

（4）線路連接測試。勵磁電源加載100 A的電流，分別讀取勵磁電源端MPS VOLTS和磁體端MAG VOLTS壓降情況，若壓降過大，則阻值異常，不能進(jìn)行勵磁操作，需要檢查勵磁回路。測試界面，如圖8所示。

圖8 測試界面Fig.8 Cable test interface

4 總結(jié)

磁共振失超是一種常見的、恢復(fù)時(shí)間長的重大故障，嚴(yán)重影響醫(yī)院工作計(jì)劃安排。西門子磁共振勻場、除冰、更換冷頭和梯度線圈等具有危險(xiǎn)性的維修，都要降場操作，維修完畢后需重新勵磁。筆者從勵磁原理出發(fā)，結(jié)合勵磁過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)，揭示勵磁過程中相關(guān)的影響因素。同時(shí)通過分析勵磁過程中有代表性的實(shí)際問題，說明失超雖為不可控因素，但可通過勵磁前檢查及相關(guān)必要準(zhǔn)備，降低失超風(fēng)險(xiǎn)。