研发MRI无氦超导磁体的可行性及技术要点

【作 者】余慧娴

杭州美诺瓦医疗科技股份有限公司，杭州市，310053

0 引言

二十世纪八十年代初，医用MRI由于需要较高的磁场强度，装备了低温超导磁体。

低温超导磁体的技术特点为：①使用铌钛（NbTi）超导线（临界温度5 K）；②用液氦浸泡超导线制冷(常压下4.2 K)，外包液氮冷屏（常压下77 K）；③高真空多层绝热，以减少液氮、液氦的日蒸发量。

经过近四十年的发展，医用MRI已普及到全球各大医院，成为不可缺少的医疗诊断设备，为此，液氦的消耗量急骤增加，成为全球氦消耗的主要行业，同时也是运行成本居高不下的主要因素。

在这三十多年中，医用MRI超导磁体在技术上不断地进行改进，下面将列举各技术特点的改进要点：

（1）近年来，超导材料在科技上有很大的进展，临界温度有的已经达到液氮温度。但遗憾的是，尚无一种材料能替代铌钛超导线制作成像区1.5 T以上的医用MRI超导磁体主线圈（数据均以1.5 T磁体为例）。

用于医用MRI超导磁体主线圈的超导线必须满足下列要求：

在临界温度下，运行电流400～700 A ，峰值磁场强度大于6 T，绕制弯曲半径0.5 in，具有一定的抗拉强度，便于制作超导接头及超导开关，还需要考虑经济因素（一个医用1.5 T MRI超导磁体主线圈需60 000米以上的超导线）等等。目前仅铌钛超导线尚能符合上述综合因素。

（2）医用MRI超导磁体制冷系统技术进展最大，由早期液氮+液氦制冷进展为液氦+氦制冷机制冷，随着氦制冷机性能进一步提高，液氦蒸发量越来越少，氦制冷机制冷的功率越来越大。当氦制冷机的制冷功率大于磁体漏热总功率，二级冷头制冷温度达到4.2 K时，液氦可达到“零”消耗。这就使得设计制造“无氦超导磁体”成为可行。

1 无氦磁体的主要设计要点（以医用1.5T超导磁体为例）

1.1 总体结构

1.1.1 液氦磁体总体结构（图1）

内、外主线圈构成主线圈组合，浸在液氦筒内的液氦中，液氦筒内为常压状态，有颈管结构直通磁体外，颈管中装有可拔式充电插头，氦气排气管道，失超时快速排放氦气的带爆裂膜结构的排气管道（直通室外）。有磁体内各参数测量传感器及其引线及插座，预冷液氮及液氦加注管口及管道等等。

颈管结构复杂，漏热大，给制冷机增加不少的热负荷。液氦筒外表温度为4.2 K。液氦筒外为高真空多层绝热层，液氦筒和高真空多层绝热层用支撑杆悬挂在第二冷屏上。第二冷屏连接氦制冷机冷头的二级冷头，第二冷屏温度为20 K左右。

图1 液氦磁体剖面示意图Fig.1 Sectional drawing of LHe magnet

第二冷屏外为高真空多层绝热层，高真空多层绝热层连同液氦筒、第二冷屏，用支撑杆悬挂在第一冷屏上。第一冷屏连接氦制冷机冷头的一级冷头，第一冷屏温度为50 K左右[1]。

第一冷屏外为高真空多层绝热层，高真空多层绝热层连同液氦筒、第二冷屏、第一冷屏，用支撑杆悬挂在最外面的真空筒上。真空筒温度为300 K左右（即环境温度）。

1.1.2 无氦磁体总体结构（图2）

图2 无氦磁体剖面示意图Fig.2 Sectional drawing of Helium-free magnet

内、外主线圈构成主线圈组合，与冷头二级相连接，温度为4.2 K左右。

主线圈组合外为高真空多层绝热层，用支撑杆悬挂在冷屏上。冷屏连接氦制冷机冷头的一级，冷屏温度为50 K[2]。

冷屏外为高真空多层绝热层，连同主线圈组合，高真空多层用支撑杆悬挂在最外面的真空筒上。真空筒温度为300 K左右（即环境温度）。

主线圈组合与冷屏均处于高真空中，这是液氦磁体与无氦磁体结构上的最大不同处。

1.2 无氦磁体关键部件及设计要点

1.2.1 制冷机的选择及冷头的安装结构的设计要点

无氦磁体的超导线圈组合能长年保持在4.2 K的临界温度下，是由氦制冷机组不间断连续工作将进入磁体的漏热交换出磁体才能保持的，氦制冷机组的制冷量必须超过磁体总漏热，能在4.2 K以下有足够的制冷功率，并具有充分的富裕量[3]。

目前使用的制冷机组主要是GM制冷机和脉管制冷机两种，其中冷头均具有两级（一级约35～50 K，40 W左右，二级4.2 K以下，1.0～1.5 W）。GM制冷机使用历史较早，现有商品1.5 T以上医用MRI磁体上基本上都采用它，很少使用脉管制冷机。GM制冷机振动及噪声较大，但技术成熟，性能可靠。脉管制冷机则噪声很小，但不够成熟。两者各有所长，按可变更接口设计。遗憾的是国产的商品化的氦制冷机组供应尚未形成，几乎全依赖进口。

无氦磁体上可安装单冷头，也可安装双冷头，例如：安装一台SRDK-415D制冷机（一级冷头50 K，35 W，二级冷头 4.2 K，1.5 W）。 安装两台SRDK-408D2制冷机（每台一级冷头43 K，40 W，二级冷头4.2 K，1.0 W，两台则为一级冷头43 K，80 W，二级冷头 4.2 K，2.0 W）。安装两台氦制冷机组，确保足够的制冷量，有利于冷头的更换及维修，有利于改善主线圈组件的热梯度。

氦制冷机组由安装在磁体上的冷头、氦压缩机及水冷（或空冷）机组等三部分组合而成。冷头一般运行寿命为20 000 h（约2 年左右）而磁体寿命可达10 年以上，为使更换或维修冷头时，磁体大真空不至于被破坏，主线圈组件能在更换或维修冷头时维持4.2 K温度而不会失超，需在磁体上安装冷头夹套。夹套装有相对应的一、二级和冷头一、二级相接触的接触板，它们的接触效率是否良好将严重影响冷头的制冷效果，夹套外的一、二级上将安装低温温度传感器，以监测冷头安装的正确与否及长期运转冷头效率的变化。

冷头安装后，夹套内再抽真空，形成小真空。

1.2.2 无氦磁体主线圈组合的结构特点

主线圈由NbTi超导线绕制而成，液氦磁体主线圈与无氦磁体主线圈的设计差别不大，线圈由内、外两筒组成。

无氦磁体与液氦磁体主线圈组合的冷却方式不同。液氦磁体主线圈组合装在液氦筒内，下部浸在液氦（4.2 K）中，上半部处于4.2 K温度的氦蒸汽中，超导线冷却良好，制冷机只是以减少液氦蒸发为目的。无氦磁体主线圈组合悬挂在铝制冷屏上，处于高真空中，不设液氦筒，组件直接连接冷头夹套的二级（4.2 K），线圈骨架以固体传导方式冷却超导线圈。线圈骨架一般用低温环氧玻纤、不锈钢或合金铝加工而成，超导线绕制其上形成线圈组。

液氦磁体主线圈组件上安装有超导接头，超导开关和失超保护装置，无氦磁体主线圈组件同样需安装超导接头，超导开关和失超保护装置。

无氦磁体主线圈组合的超导接头和超导开关结构与液氦磁体主线圈组合的结构基本相同，但连接及安装位置有区别，因液氦磁体主线圈组合上安装的超导接头，超导开关和失超保护装置均安装在组合的底部，始终浸泡在液氦中，冷却条件极好，无氦磁体中无液氦，这些部件的冷却需要靠固体传导来冷却。

对无氦磁体主线圈失超保护装置需设计新的结构，这是无氦磁体需要攻克的关键之一。

液氦磁体失超保护的原理之一是：超导线在超导状态下电阻接近于“零”，一旦发生失超时，超导线的电阻会大大高于铝、铜等导体，在超导线圈环路上并联由常导金属制造的环路。失超时，线圈中的电流流入电阻小的常导环路，使环路导体吸收能量使其温度升高，周围的液氦猛烈汽化吸收能量，通过应急管道排出室外。1.5 T磁体一次失超将损耗700 立升以上的液氦。如果失超保护装置正常运行，添加液氦后，可重新充磁[4]。

无氦磁体失超保护的原理之一是：在超导线圈环路上并联由常导金属的环路，该环路利用线圈骨架代替环路导体，失超时将线圈中的电流引入电阻小的线圈骨架常导环路，使线圈骨架导体温度升高，线圈骨架导体必须满足三个条件，一是线圈骨架导体有足够高的热导率，使热量迅速传播整个线圈骨架导体，有利于散热。二是线圈骨架导体环路导体有足够大的热容量，在完全吸收主线圈能量后，线圈骨架导体任何部位升温后温度不超过30～40 度（升温幅度在300 度左右），确保磁体内材料、结构、传感器不损坏，以便再次充磁。三是线圈骨架常导环路导体有较大的电阻率，有较小的总电阻，升温后电阻仍远远低于超导线圈失超后的电阻。因此，线圈常导环路导体材质应选择无磁不锈钢。

超导线圈骨架的材料可选择低温环氧玻纤、铝合金或不锈钢。铝合金或不锈钢骨架加工方便，强度较高，材质均匀，能较好地保证超导线圈的尺寸精度，有利于匀场，但由于现代MRI的高梯度场快速切换，会在金属骨架中产生蜗流，出现不应有的附加磁场而影响图像质量。

对无氦磁体超导线圈骨架的材料不仅需考虑支撑超导线圈，同时需兼顾传导冷量及失超保护装置的安排。无氦磁体超导线圈骨架可考虑选用低温环氧玻纤作为基材，将不锈钢失超保护环路和铜质导热棒组合加工形成复合材料线圈骨架。这样可能会增加设计及加工的复杂程度。

无氦磁体超导线圈组件中的超导线圈是否需要用低温环氧树脂固化，低温环氧树脂中是否需要添加改善导热性的材料，需经模拟试验来确定。

1.2.3 充电插头结构设计要点

充电是超导磁体制造过程中最重要的一个环节，顺利地完成充电（也即充磁）才能认为超导磁体制造成功，因此，在设计时及制造过程中均应排除所有可能引起失超的因素。

满充电压一般为直流12 V左右，满充电流为直流400～700 A范围之内。充电从0 V开始，逐渐升高，电流逐渐平稳升高，直至成像球区域磁场强度达到设计要求的场强（例如1.5 T）。此时电流从0 A升至设计的满充电流（例如500 A），随着电流逐渐平稳升高，从充电电源至超导线圈回路中的常导引线将逐渐升温。热量沿着导线、插头，进入磁体，在液氦磁体充磁时，电流由常导导线过渡到超导线圈时，充电插头由排出的冷氦气冷却，避免了热量传至超导线圈，避免失超的发生。无氦磁体无冷氦气冷却的条件，无氦磁体超导线圈组件安置于真空中，因此，充电插头结构必须具备下列性能：

可分离的充电插头，上部“+”“-” 极插头安装在一个小的不锈钢波纹管液氮槽中，液氮槽焊接在不锈钢真空筒上将插头上部与磁体大真空隔离，上部“+”“-” 极插头安装可手动操作上下运动的结构。插头下部“+”“-” 极插头固定在冷屏上，并与充电引线连接，充电引线由紫铜棒，高温超导线及主线圈引线组合焊接而成。充电时，上部“+”“-”极插头向下运动，使充电插头上、下部良好接触，在不锈钢波纹管液氮槽中加注液氮，在充电全过程中保持充电插头上、下部处于77 K温度。此时充电引线中的高温超导线处于超导状态，电流通过不产生热量，充电引线贴近冷屏下行降温至50 K，高温超导线仍处于超导状态，电流通过不产生热量。当充电引线贴近超导线圈组件进入主线圈降温至4.2 K左右，高温超导线及主线圈引线均处于超导状态，大电流通过时在充电过程中无热量产生，可确保充电环节由引线发热而发生失超的现象不再出现。

1.2.4 无氦磁体抽真空技术要点

一般要求保持1.33×10-2Pa（1×10-4mmHg）以下压强的真空度就能满足高真空绝热的要求，随时间的推移真空度会下降，超过1.33×10-2Pa（1×10-4mmHg）时，漏热会迅速增加，因无氦磁体没有液氦作低温的补偿，当漏热超过制冷机组的制冷量，主线圈组件温度则上升，一旦超导线圈环路上任何一处超过临界温度磁体将发生“失超”。

为此需关注以下要点：

无氦磁体抽真空前应严格真空检漏。虽磁体内已无氦，但最好仍进行氦质谱检漏。

抽真空时应达到较高的真空度要求，如1.33×10-4Pa（1×10-6mmHg）。

建立具有双真空检测规的真空报警系统。比如，当测得真空度为1.33×10-3Pa（1×10-5mmHg）时显示警告信号，此时应进行补充抽真空。

无氦磁体的真空抽口应设计成便于补充抽真空的结构。

1.2.5 无氦磁体的预冷

1.5 T以上的超导磁体超导线圈组件及冷屏等附件总质量超过5 T以上，热容量很大。启动制冷机系统前均使用廉价的液氮预冷，从300 K左右冷却到77 K左右。

液氦磁体抽大真空后，通过颈管直接将液氮喷淋在装有主线圈的液氦筒内，以减少液氦冷却时的消耗量为目的。

无氦磁体抽大真空后，预冷是以加快冷却速度和减少制冷系统运转时间为目的。无氦磁体主线圈组合装在真空筒内，不能用液氮喷淋主线圈组合的方法来预冷，而通过将液氮灌注在冷头夹套中，夹套的一、二级通过导冷带预冷主超导线圈组件及冷屏。待主超导线圈组件温度达到77 K左右停止液氮灌注，安装冷头，完成后，抽夹套小真空，开启制冷系统，测试检查冷头安装情况及制冷效果，如合格，待主线圈组件达到4.2 K时，完成磁体的冷却操作。

1.2.6 各种引线（包括：测温传感器，超导开关操作等）设计要点

超导磁体有许多测温传感器，以监测不同部位在预冷、制冷系统制冷、充磁及磁体运行过程等的温度状态。这些温度传感器需要用导线引出磁体连接到磁体外的控制器上。

超导磁体有主线圈超导开关，补偿线圈超导开关等等。在充磁过程需操作超导开关中加热电阻的上电及关电，这些开关的导线需要用导线引出磁体连接到磁体外的控制器上。

为了减少测量及操作过程的漏热和电流在引线中产生的热量，在结构设计时使用真空隔离可分离的真空插头，并在引线上附加超导线。

1.3 无氦磁体与液氦磁体特点比较

（1）液氦磁体是低温容器，更属于压力容器。磁体的真空筒或液氦筒一旦被损坏或真空突然破坏，磁体内液氦将迅速被气化，体积骤增700倍左右，筒内压力迅速加大，尤其是一旦液氦筒受损，液氦迅速吸入真空层，外壳真空筒所受压力突然加大，甚至引起爆炸。

无氦磁体是低温容器，磁体的外壳真空筒仅受外表向内的压力，一旦真空突然破坏，只会引起线圈失超磁场消失，不会造成伤害事故。

无氦磁体在安全性上优于液氦磁体。

（2）液氦磁体失超时磁体内液氦将迅速被气化，冲破安装在颈管上的爆破膜进入100 mm以上口径的排气管排放到室外大气中。室内充满氦气，会使人窒息。排气管需防止外表形成液空，同时需防富氧区爆炸。一次失超1.5 T磁体将损失700 立升以上的液氦。失超后无需重新预冷可直接加注液氦，然后重新充电（充磁）。

无氦磁体失超时，磁体主超导线圈组件的线圈架将升温300 度以上，主磁场消失，因磁体处于真空状态，因升温局限于主超导线圈组件，真空度可能会降低。重新充电前需检查磁体的各种测量数据，只有各项测量数据均达到标准后方能重新充电。

（3）无氦磁体比液氦磁体减少了液氦筒、第二冷屏及它们之间的多层防辐射层，使得在相同的超导主线圈参数的情况下磁体可以减小外径、缩短长度、扩大人孔、减轻总重量。另外无液氦大大降低生产成本和维护费用。

（4）无氦磁体不设颈管，各类插头均采用真空隔离可分离的结构，因此漏热相对于液氦磁体减少很多，有利于制冷机系统的选择，冷量的富裕确保无氦磁体长时间的安全运行。

2 无氦磁体研发的必要性及可行性

（1）国内各三甲医院均装有1.5 T以上的超导MRI数千台，配置的均为液氦磁体（当前市场保有量的一半在2020年前被替换）。

我国近年来对氦的需求量越来越大，但氦是一种稀缺资源，氦气在飞船发射、导弹武器工业、低温超导研究、半导体生产等方面具有重要用途，由于受制于氦气资源匮乏、提取氦气的成本较高，中国在需求上一直依赖进口。未来氦气进口的情况不容乐观。一旦美国收紧液氦的出口，中国现有的许多使用氦气和液氦的科研项目和医疗项目将出现断供的困境。因此，必须尽早预防。

无氦磁体是解决医疗项目对氦气和液氦的依赖的最有效方法。

（2）在高温超导材料尚不能商品化应用于超导MRI的情况下。用氦制冷机使超导线圈冷却到4.2 K，NbTi超导线圈可以实现超导。

制冷机制冷磁体的温度恒定性、均匀性不如液氦磁体，对于精确成像可能不利。这是无氦磁体有待解决的最主要的问题。

液氦磁体的主超导线圈组件浸泡在液氦中，每次加注至液氦筒的80%～90%。随着液氦的吸热气化液面逐渐降低，当降至30%左右时应加注液氦。主超导线圈组件的上半部分长期处于冷氦气中，因此，主超导线圈组件上下部分也存在一定的温差变化。其温差变化需进行测量，以求得温差变化的允许值。

无氦磁体的主超导线圈组件全靠氦制冷机制冷，主超导线圈组件内存在热梯度。随着氦制冷机长期工作效率下降，真空筒内真空度的下降，主超导线圈组件温度会逐渐上升漂移。虽然制冷机冷头为活塞往返运动制冷为间歇性的，但主超导线圈组件质量很大（5～6 t），热容量很大，所以温度的漂移是缓慢而渐变的，而热梯度几乎是不变的。

双冷头有利于改善主线圈组件的热梯度。定期监测真空度，适时补抽真空，减少漏热。定期监测主线圈组件的温度变化，冷头采取闭环变频控制，以恒定主线圈组件温度。定期进行匀场修正。以上措施是否能解决无氦磁体的图像质量问题，仍需经过试验才能确定。

（3）国内研发无氦磁体在技术上除氦制冷机组需从日本、美国进口外，已无技术问题。关键在于需对上述的重点技术要点进行攻关和验证。在此基础上研制新的1.5 T无氦超导磁体的设计需符合目前大多数医院中使用的1.5 T MRI所安装的的匀场机构、梯度线圈、全容积射频线圈、梯度功放、射频功放、谱仪等全套成像系统，为之配套才能进行成像试验及磁体替代。

（4）研发无氦磁体是一个技术复杂、周期长、风险大的项目。但却是必须进行，而且也是收益巨大的项目。

无氦磁体有上述多项新的结构需要试制和验证。为减低研制风险，确保新研制的无氦磁体设计的结构正确性，应首先进行模拟试验平台。

模拟试验平台既作为无氦磁体新结构的模拟试验平台，之后可以作为生产用检验测试平台的样机用。

经过模拟试验平台的验证，成功有效的结构设计就可以用于新磁体的具体设计中。

3 结束语

磁体虽是MRI主要组成部件之一，完整的MRI还需要复杂的图像部分。因氦资源短缺，国内现有的几千台超导1.5 T和3.0 T MRI磁体因液氦问题而处于停止运行的危机。因此，当务之急是如何尽快地用无氦磁体替换现有的液氦磁体。无氦磁体的市场前景是很乐观的，一方面需满足国内甚至全球范围液氦磁体的替换，另一方面需满足新增1.5 T和3.0 T MRI的需求，这会使我国MRI制造事业推向一个新的高潮。