超导MRI磁体无液氦改造探讨

【作 者】余慧娴

杭州美诺瓦医疗科技有限公司，杭州市，310053

0 引言

超导磁共振成像仪（MRI）是各大医院不可缺少的诊断设备。自上世纪80年代进入临床诊断以来，在世界范围内总装机量已达数万台。仅在我国，装机量也达数千台，并仍将不断增加。

当前MRI所装备的高场强磁体均为低温超导磁体。中心磁场强度从1.5 T到3.0 T(1 T=10000 Gs)，甚至更高。它的优点在于磁场强度高而稳定，图像清晰，无电离辐射，对人体无损伤。

MRI所装备的低温超导磁体，由于人体受检部位必须置于磁体中心直径为50 cm球形均匀磁场内，要求人孔直径大于60 cm，磁体内孔直径一般需大于90 cm。为此，超导磁体体积较大，表面积很大，这对低温超导技术比较困难。

MRI所装备的低温超导磁体的主线圈一般使用铌钛超导线或铌三锡超导线绕制。在温度为9 K(-264oC)以下铌钛超导线或铌三锡超导线具有超导性能，电阻降至1×10-14Ω左右。

将MRI低温超导磁体的主线圈浸在温度为4.2 K(-269oC)液态氦(LHe)中，可确保主线圈中的超导线处于超导状态，流经线圈环路中的大电流将无源的、极少损耗的环绕闭合超导线圈流动而形成稳定的强大磁场。一台1.5 T超导磁体内需装填约(1000～2000)L的液氦。

低温超导磁体内4.2 K的液氦与磁体表面的室温相差为300 K左右，磁体采用高真空多层绝热技术及氦制冷机技术，使磁体内液氦蒸发损失尽可能的减小，甚至零蒸发。这些技术国际上已有商品化的成熟技术。国内经过几十年的努力目前已有几家企业正在批量制造或准备批量制造，组装这类低温超导磁体。

1 超导MRI磁体即将面临的问题

在宇宙中氦(He)约占23%，是除氢以外最多的元素，但在地球上却少得可怜，空气中约占5 ppm，氦气主要存在于天然气井及放射性矿产地区，能进行商业性开采的天然气大多数在美国，美国的天然气含1%以上的氦气，我国四川的天然气井中也含有氦气，但其含量不高，开采成本高，不足以满足医用超导磁共振成像仪低温超导磁体大量的使用及消耗。我国所有低温超导磁体使用的液氦几乎都从美国进口。

氦是一种不可再生的稀有的战略资源。氦是除氢(H)外最轻的元素，单原子分子，几乎不与任何元素起化合作用的惰性气体。氦气一旦进入大气就会升到大气顶层而逃逸到外层空间，无法回收。氢气(H2)虽然也会逃逸到外层空间，但氢元素在地球上以化合物形式存在(如水分子)而被固定下来 。

氦气的储存方法：以气态形式压入废矿井储藏、或以气态形式压入贮罐储存，或以低温液化成液氦储存在低温容器中。以气态储存，体积大压力大。以液态储存，体积可减少但需使用价格昂贵技术复杂的低温容器。此外，低温容器同时也存在日蒸发量的消耗。

全球氦的年需要量实际上就是氦的年放空量，只要开采出来就将在使用中放空，而无法回收，直到地球上的氦用完为止。此后地球上将只能靠地壳中放射元素矿床衰变而产生少量的氦。

2007年美国已将氦作为战略资源限制粗氦产量及出口，造成液氦价格飞涨。有专家预计，美国将在10～15年后，从氦出口国变为氦进口国。近几年美国因大规模开发“页岩气”而改变了能源产业结构，富含氦的天然气将减少甚至停止开采，作为开采天然气的副产品氦气也将大幅度减少供应甚至断供。

由于超导磁共振成像仪的低温超导磁体从研究、开发、制造、安装、调试、运行、维修均需大量消耗液氦，一旦液氦资源短缺或断供，磁体就不能维持超导(发生“失超”)，磁场立即消失。超导磁共振成像仪将停止运转。它不但造成大量的患者因无法及时准确诊断而延误治疗。同时也造成大量高投入的设备闲置，报废。

2 超导MRI磁体无液氦改造的操作设计

超导磁共振成像仪包含两个主要系统：超导磁体系统和图像系统。与液氦有关联的是超导磁体系统，图像系统不受影响。

将目前应用的液氦低温超导磁体改造成无液氦低温超导磁体系统，这是较好的方法之一。除磁体的低温系统外，成像系统均可利用原设置。成像系统(包括：谱仪、梯度功放、射频功放、梯度线圈、序列软件等)在技术上比磁体更难在国内成套。占超导磁共振成像仪设备投资费用的1/2左右。

将液氦超导磁体改造成无液氦超导磁体，需要解决下列关键技术。

2.1 4.2 K制冷机

国际上4.2 K制冷机有GM制冷机和脉管制冷机，均可使用。关键在于制冷量必须满足制冷量大于漏热量以保持整个超导线圈处于4.2 K的环境中。

18 T波谱仪的超导磁体已配有商品化的无液氦低温超导磁体。GE 1.5 T超导磁共振成像仪的低温超导磁体有液氦零蒸发的机型，所配置的制冷机可以将漏热蒸发的氦气重新冷凝成液氦而循环使用。国外曾开发用开放式0.5 T无液氦超导磁体的医用磁共振成像仪。因此低温制冷机是有解决的可能。

2.2 “失超”保护

低温超导磁体具有“失超”保护系统，在制造过程中试充磁时，或安装调试充磁时，或液氦液位过低时，或磁体真空损坏或漏气时均会引起“失超”。“失超”保护系统可以将磁体超导线圈中所储存的能量释放掉，以防损坏线圈系统及磁体，使之可以再次进行充磁。

“失超”时，磁体中的液氦将快速吸热汽化，通过顶部管道冲开爆破膜排到室外。一次“失超”大约将损失磁体内1/2的液氦。

无液氦磁体没有液氦，“失超”保护系统必须另行设计试验及安排。

可将磁体设计为具有液氮保温层的结构型式，“失超”保护回路置于液氮层中就可以解决“失超”保护问题。增加液氮保温层有下列优点。

(1)“失超”保护回路的作用在于一旦“失超”，线圈中所储能量通过旁路线圈发热使液氮吸热气化放空，达到使线圈系统的温升在安全范围内，而使得线圈系统不致于损坏，以便对线圈系统进行再次充磁程序。液氮的汽化潜热远大于液氦，一次“失超”损失液氮比液氦数量少得多，成本也相对低得多。液氮是空分制氧的副产品，既不稀缺又价格低廉。

(2)利用液氮的蒸发吸热还可减轻氦制冷机的负荷。液氮温度为77 K。从77 K到4 K之间的高真空多层绝热层和支撑结构的漏热由氦制冷机承担。从室温300 K到液氮77 K之间的高真空多层绝热层和支撑结构的漏热由液氮的汽化承担。高真空多层绝热层对液氮的保温效果是很好的，漏热量很少，因此液氮蒸发量是不大的。补充液氮也比补充液氦要方便得多。

2.3 线圈骨架材料及结构的设计及制作

液氦磁体的超导线圈、超导开关、超导接头、充磁引线等在充磁时均浸没在液氦中，散热条件非常好，充磁过程不易发生“失超”。无液氦磁体就不具备这样良好的散、传热条件。如何确保无液氦磁体充磁过程的散热、传热，线圈骨架材料及结构的设计及制作也将成为无液氦磁体研发、试验的关键技术之一。

(1)线圈骨架材料及线圈制作

现代液氦磁体的线圈骨架材料一般采用低温环氧树脂玻璃钢，线圈绕制在其上，可以不进行绝缘处理。其导热系数低，支撑传热较小。由于线圈骨架大，所以无液氦磁体将使用导热较好的合金铝作为线圈骨架材料，在线圈槽内涂低温环氧树脂绝缘薄层，对线圈绕组用低温环氧树脂进行灌注固化。这样，既有利于防止充磁时线圈位移磨擦发热引起“失超”，又可增加热传导，提高制冷效果。

(2)磁体总体设计

为了使改造后磁体能利用原医用超导磁共振成像仪的梯度线圈、全部射频线圈、匀场机构、全部超导线、超导开关、床、控制面板以及成像系统的软、硬件，需在这些条件限制下进行磁体设计，以达到最理想的经济效果及社会效果。

以原超导磁体的主线圈参数，如主线圈电流强度、磁场强度、线圈结构尺寸、导线绕制方法等，作为设计的原始依据进行磁体总体设计。改造后的主线圈骨架采用铝材，低温系统为主线圈系统置于真空腔内，真空腔外安置第一高真空多层绝热层，第一高真空多层绝热层外安置液氮腔。液氮腔外安置第二高真空多层绝热层，第二高真空多层绝热层的外筒为磁体的外筒。

磁体选用单个单级制冷机，但设计两个安装氦制冷机冷头（Cool Head）的隔离的小真空腔，便于更换冷头时可以连续不间断地工作。

2.4 超导接头的设计及制作

为了利用回收原磁体的超导线和超导开关，超导开关必须重新现场制作，接头将增加数量并重新安排绕线的设计。接头电阻要求将更小、更可靠。

超导接头在国内已有成熟技术，不论是压接法或焊接法均能符合要求。

2.5 充磁引线的设计

现代液氦超导磁体充磁时，通过纹波系数很小，低压大电流的直流稳压电源将直流电引入超导线圈，充电时电流从小到大逐渐升高(最高需升至700～800 A)，直至磁场强度达到设计要求，然后将超导开关接通，形成线圈中无源环流，此时充磁完成。充磁电源的直流引线由常温接入低温，温差300 K，并由常导线过渡到超导线，为此设计了专用的以低温氦气冷却的可拔式接头来进行充磁。

无液氦超导磁体充磁时，不具有不断释放的4 K冷氦气来冷却引线插头及导线，应设计适用于无液氦超导磁体充磁的插头及导线，可将引线经由液氮腔预冷，进入磁体引线温升保持在77 K，后接由制冷机冷头冷却的高温超导接线，再过渡连接低温超导线。同时将充磁时序设计为间歇性分段充磁，这将比液氦超导磁体充磁更安全可靠。

在解决难点时应对关键技术进行小尺寸模型试验。因为低温工程是既费时又费钱的工作。每一步都必须计划周全，力争一次得到结果。

3 总结

开发新的低温超导磁体系统是一个多学科的系统工程，投资风险较大。将液氦低温超导磁体系统改造成无液氦低温超导磁体系统作为第一步，既有现实的需要，也可降低投资和风险。虽然存在上述技术难点，且技术难度高，但技术难点集中。通过改造磁体积累了资金，培养了人才，完善了装备，摸清了市场，为开发研制新的无液氦低温超导磁体系统作好了充分的准备。

4 展望

在完成新的无液氦低温超导磁体系统的过程中，还可同时开展两方面的研发：

(1)改造国内已装备波谱仪的液氦低温超导磁体为无液氦低温超导磁体。波谱仪是制药、精细化工等必备的分析手段，这种超导磁体场强高(8～18 T甚至更高)，样品腔小，磁体相对也小。它们也会因液氦的短缺或断供，这些仪器设备同样面临闲置、报废的命运，也急需进行无液氦化改造。国际上已有波谱仪的无液氦低温超导磁体商品生产，技术已基本成熟，正在逐步推广应用，但价格昂贵。

(2)医用超导磁共振成像仪和分析用波谱仪所配置的图像系统的软、硬件可相应进行逐步国产化。这是我国急需补缺的工作。解决磁体问题只是解决了问题的一半。我国的成像系统需更快发展，这样才能使我国MRI和NMR制造事业推向一个高潮。