醫(yī)療核磁共振機(jī)房的電氣設(shè)計(jì)

張 亮, 孔令兵

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司, 上海 200090)

0 引 言

我國(guó)人口老齡化在逐年攀升,“十四五”伊始,全國(guó)各省市相繼出臺(tái)了《“十四五”衛(wèi)生與健康規(guī)劃》以及一系列的醫(yī)療衛(wèi)生體系規(guī)劃。在政策推動(dòng)下,全國(guó)醫(yī)院改造與建設(shè)的步伐正在提速。醫(yī)療核磁共振成像(MRI)設(shè)備是任何一家具備放射科檢查的醫(yī)院不可或缺的。在進(jìn)行MRI機(jī)房電氣設(shè)計(jì)時(shí),院方通常還未進(jìn)入MRI設(shè)備招采階段,電氣設(shè)計(jì)工程師無(wú)法獲取MRI設(shè)備的電氣參數(shù),按土建預(yù)留用電量等通用做法往往存在估算不準(zhǔn)、土建預(yù)留條件不理想等問(wèn)題。導(dǎo)致設(shè)備招采完畢后,機(jī)房土建改動(dòng)工作量較大,還會(huì)引起變電站內(nèi)低壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)元器件更換等問(wèn)題。目前主流的MRI設(shè)備廠家較多(如GE、西門子、飛利浦、AURORA等),不同廠家的MRI設(shè)備對(duì)場(chǎng)地的要求也各不相同,但在設(shè)備供電與控制、照明、接地等系統(tǒng)的電氣要求上存在一些共性。

1 MRI機(jī)房的選址

在醫(yī)療建筑平面規(guī)劃時(shí),MRI機(jī)房的位置主要由醫(yī)療工藝、醫(yī)院以及建筑師共同確定。但在MRI機(jī)房選址時(shí),電氣設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)參與到選址的決策中。根據(jù)MRI設(shè)備的成像原理,可以發(fā)現(xiàn)MRI設(shè)備非常容易受到鐵磁物質(zhì)及電流的影響,磁場(chǎng)的均勻度是MRI設(shè)備的重要技術(shù)參數(shù),磁場(chǎng)均勻度的穩(wěn)定性直接影響了成像質(zhì)量。干擾MRI設(shè)備的因素主要分為:動(dòng)態(tài)金屬干擾(如電梯、汽車、地鐵等);靜態(tài)金屬干擾(如建筑物結(jié)構(gòu)體內(nèi)的鋼筋等);振動(dòng)物體(如電機(jī)、水泵等);變化的電流;同場(chǎng)強(qiáng)的另一臺(tái)MRI。從干擾因數(shù)可以發(fā)現(xiàn),產(chǎn)生變化電流的主要源頭為高壓線、變壓器及發(fā)電機(jī),如何避免變化電流對(duì)MRI設(shè)備的影響是電氣設(shè)計(jì)工程師參與選址的主要目的。

為了避免變電站的磁場(chǎng)干擾,MRI機(jī)房通常不能離變電站太近,但也不能太遠(yuǎn)。從多個(gè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)來(lái)看,結(jié)合主流品牌MRI設(shè)備的場(chǎng)地要求,變壓器到MRI機(jī)房配電柜之間的電纜通常需要由一次土建設(shè)計(jì)階段負(fù)責(zé),供電電纜截面的選擇還要保證變壓器輸出端至設(shè)備配電柜的壓降小于約2%,距離長(zhǎng)短影響了供電電纜截面的大小。變壓器與配電柜距離和電纜截面配比如表1所示。通過(guò)調(diào)研GE公司各規(guī)格MRI設(shè)備的場(chǎng)地要求手冊(cè),發(fā)現(xiàn)各類規(guī)格MRI設(shè)備的供電電纜首先要滿足表1。

表1 變壓器與配電柜距離和電纜截面配比

由表1可以看出,MRI機(jī)房距離變電站越遠(yuǎn),供電電纜的截面也越大,甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了能滿足線路載流及熱穩(wěn)定校驗(yàn)的截面,這無(wú)疑增加了不少投資。在整個(gè)MRI機(jī)房平面設(shè)計(jì)過(guò)程中,選址是最重要的一步。因此,在選址規(guī)劃時(shí),電氣設(shè)計(jì)工程師應(yīng)與各方共同確定最優(yōu)的位置。

2 MRI設(shè)備的配電設(shè)計(jì)

我國(guó)目前使用的醫(yī)用MRI設(shè)備主要有永磁型MRI系統(tǒng),常導(dǎo)型MRI系統(tǒng)和超導(dǎo)型MRI系統(tǒng)。其中超導(dǎo)型MRI應(yīng)用最為廣泛,超導(dǎo)型MRI設(shè)備一旦磁場(chǎng)建立完成,超導(dǎo)磁體就不再消耗能量。加速器的主要耗能部件有:磁體的梯度磁場(chǎng)系統(tǒng);射頻系統(tǒng);用于冷卻加速器線圈真空包內(nèi)液氮的專用水冷環(huán)境控制系統(tǒng)等。MRI設(shè)施主要在監(jiān)測(cè)采樣和記錄過(guò)程中消耗電能。檢查所需要的時(shí)間依據(jù)病理、部位的不同,一般在幾分鐘到數(shù)十分鐘不等,由此看來(lái)MRI設(shè)施屬于持續(xù)性工作設(shè)備[1]。根據(jù)JGJ 312—2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》,醫(yī)用MRI設(shè)備應(yīng)按連續(xù)性工作制負(fù)荷供電。醫(yī)用MRI設(shè)備的主機(jī)、冷水機(jī)組應(yīng)分別從配變電所引出專用回路供電,且主機(jī)宜采用兩路供電,冷水機(jī)組應(yīng)采用兩路供電[2]。

對(duì)于二級(jí)醫(yī)院及三級(jí)醫(yī)院而言,根據(jù)JGJ 312—2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》,對(duì)影像科診斷用電設(shè)備的負(fù)荷等級(jí)定位為二級(jí)負(fù)荷,MRI設(shè)備屬于放射科診斷設(shè)備,按二級(jí)負(fù)荷配電。通常在MRI機(jī)房?jī)?nèi),電氣設(shè)計(jì)需要設(shè)置兩臺(tái)配電柜,其中一臺(tái)為MRI主機(jī)專用,另一臺(tái)為其他輔助設(shè)施專用,如專用冷水機(jī)組、空調(diào)、插座等。

MRI機(jī)房的電氣設(shè)計(jì)通常分兩個(gè)階段實(shí)施:第一階段為土建施工圖階段,第二階段為專項(xiàng)深化設(shè)計(jì)。在土建施工圖階段,幾乎所有的項(xiàng)目,院方一般都無(wú)法準(zhǔn)確提供MRI的具體參數(shù)和型號(hào)。但電氣設(shè)計(jì)需要在土建施工圖階段預(yù)留好后期MRI設(shè)備安裝的條件,這就需要電氣設(shè)計(jì)工程師能夠掌握較為主流MRI設(shè)備的電氣要求,在配變電所內(nèi)準(zhǔn)確預(yù)留好開(kāi)關(guān),避免后期深化設(shè)計(jì)時(shí)更換抽屜柜內(nèi)的斷路器等相關(guān)元器件。

專項(xiàng)深化設(shè)計(jì)與土建一次設(shè)計(jì)的界面通常在MRI設(shè)備柜的進(jìn)線開(kāi)關(guān)上樁頭,大多數(shù)MRI廠家需要院方提供MRI設(shè)備自帶設(shè)備柜的進(jìn)線電纜。在大多數(shù)醫(yī)院項(xiàng)目的一次設(shè)計(jì)中,習(xí)慣配電設(shè)計(jì)至MRI機(jī)房?jī)?nèi)MRI主機(jī)專用的主配電柜,由配變電所不同變壓器低壓側(cè)母排分別提供1路一主一備的電源,放射式供電至MRI機(jī)房配電柜,輔助設(shè)備配電柜的供電也采用此方法。在MRI設(shè)備無(wú)法確定的情況下,此設(shè)計(jì)思路往往無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)留好條件,基于保守原則,一次設(shè)計(jì)配置的開(kāi)關(guān)、電纜都會(huì)盡量往大設(shè)計(jì)。在大多數(shù)醫(yī)院項(xiàng)目的一次設(shè)計(jì)圖紙中,一次預(yù)留按MRI設(shè)備80,110,140 kVA較為常見(jiàn),斷路器也是大多類比電動(dòng)機(jī)負(fù)荷去整定,往往要整定在200,300,350 A,相應(yīng)的電纜截面的選擇也一般與開(kāi)關(guān)整定值配比。在專項(xiàng)深化設(shè)計(jì)時(shí),會(huì)發(fā)現(xiàn)一次預(yù)留的開(kāi)關(guān)與電纜往往都偏大,這無(wú)疑造成了一定程度的浪費(fèi)。

在一次土建設(shè)計(jì)階段,可以與院方協(xié)商,電氣設(shè)計(jì)僅在配變電所內(nèi)預(yù)留好開(kāi)關(guān),配變電所至MRI機(jī)房的主配電柜及輔助配電柜的電纜均不設(shè)計(jì)及敷設(shè),僅預(yù)留好電纜敷設(shè)的橋架。在深化設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)實(shí)際招采的設(shè)備及廠家MRI設(shè)備的場(chǎng)地手冊(cè)進(jìn)行復(fù)核,再補(bǔ)充院方范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)。當(dāng)然,只有熟悉相關(guān)的醫(yī)療電氣規(guī)范和圖集,熟悉主流MRI設(shè)備的電氣參數(shù)及性能要求,才能在一次設(shè)計(jì)階段預(yù)留好經(jīng)濟(jì)、可靠、合理的安裝條件。主流MRI設(shè)備的電氣參數(shù)如表2所示。

表2 主流MRI設(shè)備的電氣參數(shù)

表2總結(jié)了比較常見(jiàn)的1.5,3 T(MRI)的電氣參數(shù)要求,可以看出,不同規(guī)格的MRI設(shè)備功率跨度較大,但是開(kāi)關(guān)整定值較為相近。MRI設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)是負(fù)荷相對(duì)平穩(wěn),保護(hù)開(kāi)關(guān)斷路器的參數(shù)也一般按負(fù)荷進(jìn)行整定。在配變電所內(nèi)為MRI主機(jī)配電柜及輔助設(shè)備配電柜的主備用回路各預(yù)留一組MCCB-400A電子式塑殼斷路器,脫扣器額定電流可調(diào),整定范圍為200～400 A;預(yù)留一組MCCB-250A電子式塑殼斷路器,脫扣器額定電流可調(diào),整定范圍為100～250 A。這是基于不同規(guī)格的MRI設(shè)備的考慮,在深化設(shè)計(jì)時(shí),實(shí)際招采的設(shè)備可能為1.5 T或者3 T,甚至5 T的MRI設(shè)備,而且目前7 T、11 T的MRI設(shè)備也在逐漸應(yīng)用,醫(yī)院項(xiàng)目往往可能因?yàn)槎喾矫嬖驅(qū)е陆ㄔO(shè)延期,MRI設(shè)備也會(huì)在這個(gè)過(guò)程不斷發(fā)展。設(shè)置大小兩組整定可調(diào)的開(kāi)關(guān),基本上可以應(yīng)對(duì)不同的設(shè)備,而無(wú)需更換低壓開(kāi)關(guān)柜內(nèi)開(kāi)關(guān),無(wú)論深化時(shí)使用哪一種,另一種均可留作備用,也不產(chǎn)生浪費(fèi)。

本項(xiàng)目承接某醫(yī)院MRI機(jī)房的深化設(shè)計(jì),一次設(shè)計(jì)預(yù)留MRI設(shè)備的功率為110 kVA,低壓總配電間內(nèi)開(kāi)關(guān)整定為250 A,低壓開(kāi)關(guān)柜配出電纜為WDZ-YJY-3×120+1×70+E70 mm2;一次預(yù)留MRI輔助設(shè)備的功率為30 kW,低壓總配電間內(nèi)開(kāi)關(guān)整定為80 A,低壓開(kāi)關(guān)柜配出電纜為WDZ-YJY-3×25+1×16+E16 mm2。深化設(shè)計(jì)時(shí),實(shí)際設(shè)備型號(hào)為GE(Signal MR)-1.5T,根據(jù)該設(shè)備場(chǎng)地手冊(cè),主機(jī)設(shè)備的電氣參數(shù)要求可參見(jiàn)表2,該設(shè)備推薦的斷路器保護(hù)整定值為200 A,根據(jù)變壓器與配電柜距離小于60 m,配合開(kāi)關(guān)整定值,實(shí)際電纜可以選用WDZ-YJY-3×95+1×50+E50 mm2。因一次設(shè)計(jì)中電纜已設(shè)計(jì)到位,所以深化設(shè)計(jì)不考慮更換開(kāi)關(guān)及電纜,但也存在一定浪費(fèi)。另外,根據(jù)設(shè)備場(chǎng)地手冊(cè)要求,機(jī)房空調(diào)一般按40 kW、水冷機(jī)50 kW設(shè)計(jì),另外還有其他插座、照明等用電設(shè)備,因此原設(shè)計(jì)預(yù)留的輔助設(shè)備配電箱用電的開(kāi)關(guān)及電纜均偏小,需要更換開(kāi)關(guān)柜內(nèi)的開(kāi)關(guān),換成MCCB-250A塑殼斷路器,整定值為250 A,出線電纜應(yīng)更換為WDZ-YJY-3×120+1×70+E70 mm2,某醫(yī)院MRI機(jī)房電力平面圖如圖1所示。

圖1 某醫(yī)院MRI機(jī)房電力平面圖

某醫(yī)院MRI機(jī)房主配電柜系統(tǒng)圖如圖2所示。某醫(yī)院MRI機(jī)房輔助配電柜系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖2 某醫(yī)院MRI機(jī)房主配電柜系統(tǒng)圖

圖3 某醫(yī)院MRI機(jī)房輔助配電柜系統(tǒng)圖

根據(jù)上述案例可以發(fā)現(xiàn),如果采用在一次設(shè)計(jì)僅預(yù)留至低壓總配電間內(nèi),設(shè)置整定可調(diào)的斷路器,可以大大減小浪費(fèi),配合深化設(shè)計(jì)時(shí)也更為靈活。

3 MRI機(jī)房的照明設(shè)計(jì)

MRI掃描室的設(shè)備,容易使患者緊張,給患者帶來(lái)壓迫感。因此,在進(jìn)行MRI機(jī)房的照明設(shè)計(jì)時(shí),設(shè)計(jì)師應(yīng)盡量通過(guò)燈光營(yíng)造一種舒暢、輕松的氣氛。

MRI機(jī)房的照明設(shè)計(jì)首先要滿足規(guī)范對(duì)場(chǎng)所的照度標(biāo)準(zhǔn)及照明功率密度限值要求。根據(jù)JGJ 312—2013《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》及GB 50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求,MRI機(jī)房?jī)?nèi)0.75 m水平面的照度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)滿足300 lx±10%,功率密度限值不大于8 W·m-2。所選燈具應(yīng)采用銅、鋁、工程塑料等非磁性材料,磁體間不允許使用熒光燈及調(diào)光器等,防止電磁感應(yīng)影響儀器的圖像和成像質(zhì)量。一般采用直流照明,需要電氣一次設(shè)計(jì)階段預(yù)留好直流電源,如果一定要采用交流電源供電,則燈具的金屬外殼應(yīng)集中一點(diǎn)接地。根據(jù)主流MRI設(shè)備場(chǎng)地手冊(cè)要求,檢查室一般要設(shè)置有級(jí)或無(wú)級(jí)調(diào)光控制,使被檢查者的視覺(jué)有一個(gè)明暗適應(yīng)的過(guò)程。燈具不應(yīng)布置在機(jī)器正上方,一般在設(shè)備的四周均勻布置,并且應(yīng)避免給被檢查者造成眩光。某醫(yī)院MRI機(jī)房照明平面圖如圖4所示。

圖4 某醫(yī)院MRI機(jī)房照明平面圖

此外,MRI機(jī)房還應(yīng)設(shè)置防止誤入的紅色信號(hào)燈標(biāo)志,紅色信號(hào)燈電源應(yīng)與機(jī)組連通[3]。MRI設(shè)備開(kāi)機(jī)工作時(shí)紅色信號(hào)燈標(biāo)志亮,紅色信號(hào)燈設(shè)置于機(jī)房外的門框上方。由于MRI機(jī)房需要做電磁屏蔽措施,所以屏蔽室內(nèi)照明線路進(jìn)出時(shí)均需要設(shè)置濾波器,內(nèi)部照明及裝修也必須由專業(yè)公司完成。

4 MRI配電線路諧波治理

MRI作為感性負(fù)載,其運(yùn)行產(chǎn)生的諧波電流頻譜較寬,在不同工作狀態(tài)時(shí),各次諧波含量不同,相位也有差異,但含量最高的均為5次諧波,一般基波的功率因數(shù)在0.45～0.6,比電氣設(shè)計(jì)時(shí)參考的功率因數(shù)要小。過(guò)低的功率因數(shù)將導(dǎo)致系統(tǒng)的供電能力降低、線路損耗增加、系統(tǒng)電能質(zhì)量降低,同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生諧波磁場(chǎng),影響精密醫(yī)療設(shè)備的使用性能、精度和壽命,因此MRI設(shè)備的配電需要采取諧波治理。

對(duì)于醫(yī)療建筑而言,在變壓器低壓側(cè)通常也會(huì)集中設(shè)置有源濾波裝置,但對(duì)于大型醫(yī)療設(shè)備MRI而言,因MRI機(jī)房落位通常離變電站較遠(yuǎn),且容量都較大、設(shè)備功率因數(shù)較低,因此,在MRI設(shè)備就近設(shè)置有源濾波裝置,進(jìn)行諧波治理,有利于減少M(fèi)RI設(shè)備配電線路的損耗,降低其配電線纜投資。

5 MRI機(jī)房的接地設(shè)計(jì)

抗干擾關(guān)系到MRI設(shè)備能否可靠工作的重要問(wèn)題,干擾傳遞主要通過(guò)傳導(dǎo)和輻射實(shí)現(xiàn)。傳導(dǎo)干擾通過(guò)電路之間的互聯(lián)導(dǎo)線而傳遞,輻射干擾通過(guò)干擾源產(chǎn)生電磁場(chǎng)而傳播。接地系統(tǒng)同時(shí)具備傳遞、輻射這兩種干擾的途徑,采用零電阻或是低阻抗的接地通道可以降低接地系統(tǒng)帶來(lái)的干擾。

醫(yī)療建筑按現(xiàn)行規(guī)范采用共用接地系統(tǒng),設(shè)備功能接地、保護(hù)接地與建筑物防雷接地共同接到總等電位接地端子箱,接地電阻不大于1 Ω。MRI機(jī)房必須采用單點(diǎn)接地方式,不得采取環(huán)形接地回路。一般在屏蔽體電源濾波器安裝處設(shè)置局部等電位端子箱,引線徑為70 mm2的獨(dú)立接地線到MRI專用接地裝置,可以減小可能帶來(lái)的干擾。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合實(shí)際工程,對(duì)MRI機(jī)房電氣設(shè)計(jì)做了一些分析與總結(jié),對(duì)此類工程設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。MRI設(shè)備也在不斷發(fā)展,7 T甚至11 T的MRI設(shè)備也在漸漸投入使用,掌握盡可能多的類型設(shè)備性能及電氣設(shè)計(jì)要點(diǎn),才能在土建預(yù)留設(shè)計(jì)與深化設(shè)計(jì)配合之間更加游刃有余。