野外核磁诊断车的研制

苏 琛，孙景工，孟洪卫，杨 淀，谭树林，赵秀国*

（1．军事科学院系统工程研究院卫勤保障技术研究所，天津300161；2．军事科学院系统工程研究院，北京100166；3．天津华海高圣医疗科技发展有限公司，天津300384）

0 引言

自然灾害的发生会导致严重的人员伤亡。伤病员现场的紧急医学救治为紧急医学救援装备的研发提出迫切需求。研制出能够在自然灾害突发现场快速展开的应急医学救援装备可以及时、有效地对现场伤病员进行快速救治[1-3]。现场核磁诊断技术能够在医学救治现场为伤病员进行核磁影像诊断，为急救人员实施手术等救治方式提供科学依据。野外核磁诊断车是野外应急医学救治装备的重要组成部分，该装备的研制能够提升我国应急医学救援装备的技术水平，对核磁诊断系统野外条件的推广使用有着重要的推动作用，可有效增强我国应对突发自然灾害事件的整体能力。国内天津华海高圣医疗科技发展有限公司、广州市显浩医疗设备股份有限公司、包头市稀宝博为医疗系统有限公司、成都奥泰医疗系统有限责任公司与美国奥洛瑞医疗集团以及日本[4]均开展了核磁诊断车的研究，研制了不同类型的核磁诊断车，但均采用厢式车结构、车上作业模式，而且其机动性均有待进一步提高，不适合野外条件下使用。针对现有装备作业效率低、机动性差等问题，为满足突发自然灾害紧急医学救援的需求，亟须研制一种舱车分离、环境适应性强的野外核磁诊断车。核磁小型化[5-6]、车载化[7]是制约野外核磁诊断车发展的关键技术问题。核磁屏蔽设计能够有效防止核磁对操作人员和外界人员的影响[8]，而核磁屏蔽车厢设计是野外核磁诊断车研制的难题。为解决制约野外核磁诊断车研制的系列难题，本文针对核磁共振成像系统进行车载化、小型化研究，设计核磁屏蔽车厢，研制野外核磁诊断车，为野外现场对伤病员进行核磁影像诊查提供有效的技术手段，提升了野外条件下伤病员现场紧急医学救治的能力。

1 野外核磁诊断车总体设计

野外核磁诊断车采用舱车分离的结构形式，运输底盘采用北方奔驰底盘进行改装，舱体采用固定方舱结构。方舱内部分为操作室、诊察室和设备室。前段部分主要为核磁操作室，布置有核磁操作台、核磁操作主机、核磁系统隔离变压器；中段部分为核磁诊察室，主要布置核磁扫描设备主体；后段部分为设备室，并且采用大板隔断分成上下2层结构，上层布置方舱空调系统，下层布置2台核磁控制机柜、暖风机、水冷机、发电机等设备，内部布局如图1所示。方舱操作室设置后门，并且操作室门与诊察室屏蔽门对正，以保证在落地情况下伤病员及担架能够方便进出。

图1 野外核磁诊断车方舱布局示意图

方舱采用8 m固定方舱的结构。方舱外形尺寸为：8000 mm×2438 mm×2438 mm(长×宽×高)；方舱蘑菇头安装尺寸设计为2种：7797 mm×2260 mm(长×宽)和5855 mm×2260 mm(长×宽)。方舱外形图如图2所示。

图2 野外核磁诊断车方舱外形图(单位：mm)

方舱4个角件处安装电动支撑腿，用于方舱上下车。野外核磁诊断车运输状态外形图如图3所示。舱内配置发电机组，主要为整车行驶过程中舱内环境保障系统供电，使得舱内核磁设备能够保持恒温，便于野外核磁诊断车到达使用现场后迅速开展工作。

图3 野外核磁诊断车运输状态外形图(单位：mm)

2 核磁共振成像系统设计

2.1 磁体小型化设计

核磁共振成像系统主要包括磁体、梯度线圈、诊查床、电控柜、隔离变压器、水冷机等，其中磁体质量占系统总质量的90%以上，因此磁体小型化设计对整个核磁共振成像系统小型化和轻量化改进有重大意义。

目前用于医疗检查设备的0．3 T核磁共振成像系统中磁体质量大多在20 t左右，而且外形尺寸较大。由于车载底盘运输承载能力有限，且方舱结构比较紧凑，现有的0．3 T磁体不适合安装于车载方舱内使用。并且现有的0．3 T磁体结构为双立柱式或C型结构，均为场地内固定安装设计，其结构不具有抗冲击和抗震性能，不能满足车载使用的要求。为了能够完成野外核磁诊断车的研制，设计一种结构紧凑并且抗震、抗冲击能力强的磁体[7]，以满足车载系统的使用要求。为了实现磁体小型化与轻量化设计，采用钕铁硼永磁材料[9]替代普通磁性材料产生磁体磁场，从而减小磁体体积及质量。

通过软件的建模分析与计算进行磁性材料的结构设计及材料布局设计，并通过优化磁性材料结构及布局参数进一步完成磁场设计优化，最终完成磁体磁场设计，达到磁体的设计性能指标。图4为优化后的磁体外形剖面图，从该图可以看出优化后的磁体采用对称立柱结构，具有更强的机械稳定性，更适合于移动使用。图5(a)为磁体剖面磁场分布图，从该图可以看出磁轭中磁场饱和度不高，不超过1.6 T，磁性材料的性能可得到充分应用。图5(b)为磁体剖面垂直磁场分布图，垂直磁场为核磁共振成像系统使用的磁场，从该图可以直观地看出成像区的大致范围，该范围满足成像需求。图6(a)为以磁体中心为原点，直径500 mm、高度380 mm的椭图表面每15°的磁场曲线，通过该图可以看出该范围内的磁场高低差，说明该范围内磁场分布满足需求，可通过调试达到成像要求。图6(b)为以磁体中心为原点，直径420 mm、高度380 mm的椭图表面每15°的磁场曲线，通过该图可以看出该范围内的磁场高低差，说明该范围内磁场分布满足需求，可通过调试达到成像要求。图7为以磁体中心为原点，分别沿X、Y、Z3个轴方向磁场的变化情况，其拐点位置大于成像区范围，不会给成像带来干扰。

图4 优化后的磁体外形剖面图(单位：mm)

图5 磁体磁场分布图(单位：mm)

图6 磁体不同位置的椭图表面每15°的磁场曲线

图7 磁体不同轴向磁场变化曲线

经计算优化可得，磁场强度为3120 Gs(1 Gs=10-4T)，沿Y轴方向的成像区范围比X轴方向大80 mm。若继续降低磁场强度到3000 Gs，会减少一些磁性材料的使用，但对减小磁体质量和体积贡献不大，而场强增大更有利于成像质量的提高。通过扫描成像评估，2种磁场强度下扫描成像的性能指标相同。综合考虑，最终确定磁场强度为(3200±150)Gs。通过计算可得磁体各部件受力，经受力分析可知，磁体各部件结构强度能够满足受力要求，结构性能安全可靠。

2.2 磁体抗震与抗冲击设计

结合理论计算及实际情况进行磁体结构设计。磁体结构由通常的双立柱形式改为四立柱，既可增强磁体的抗震性能，又可提高磁传导效率，从而降低磁体质量。针对方舱内狭长空间的环境特点，磁体设计采用长宽不同的异形结构，缩小宽度尺寸，并降低质心高度，同时设计上还增加了磁体各部件的连接强度，使其抗震及抗冲击能力增加，其外形结构如图8所示。

图8 磁体外形结构图

2.3 梯度线圈设计

由于磁体小型化设计，梯度线圈也要根据磁体进行小型化设计，以减小梯度线圈的体积和质量。梯度线圈采用三维自屏蔽设计，与磁体进行系统化设计提高自屏蔽效率，优化线圈走线并改进加工工艺，提高梯度效率及梯度强度。集成4阶10通道主动匀场线圈，提高系统对环境的适应性，其结构如图9所示。

图9 梯度线圈结构图(单位：mm)

2.4 野外核磁诊断车方舱电磁屏蔽设计

依据核磁共振成像原理，在进行方舱设计时要进行电磁屏蔽设计，防止外界电磁信号对核磁共振成像造成干扰，同时屏蔽磁体磁场对周边环境内工作的电子设备的干扰[10-11]。

为了节约成本、减轻方舱整体质量，仅对核磁诊察室进行电磁屏蔽设计。核磁诊察室根据法拉第笼原理进行设计，舱体壁板加工时用屏蔽金属板代替壁板诊察室内侧蒙皮铝板进行整体压制成型，为了防止屏蔽金属板接缝处有缝隙，在整体压制成型前将缝隙焊接打磨平整，从而保证壁板的屏蔽性能。

诊察室各壁拼装时，包括四面墙板、顶板、底板均采用2 mm镀锌钢板，磁体左右两侧增厚到3 mm，用于电磁屏蔽，屏蔽效果要求10～100 MHz衰减>90 dB；同一面蒙板进行钢板拼焊，满焊连接，焊缝不能有焊接缺陷，各板之间用钢质角件连接，中间加导电衬垫，铆钉间距小于50 mm，以保证各面之间导电良好。核磁屏蔽方舱外形图如图10所示，其拼装结构图如图11所示。

图10 核磁屏蔽方舱外形图(单位：mm)

图11 核磁屏蔽方舱拼装结构图

为了满足方舱的整体屏蔽性能，诊察室观察窗与门也需要做专业的屏蔽设计。观察窗采用屏蔽窗，门采用屏蔽门，并且观察窗与屏蔽门安装时各安装面也需塞屏蔽丝网进行屏蔽防护，其结构类似壁板拼接缝屏蔽防护。

磁体安装孔屏蔽设计时由于磁体外形体积较大，舱体顶板要设计磁体安装孔，并且在将磁体安装好后能够将孔口密封，满足舱体屏蔽要求和防水要求。顶板孔口屏蔽及密封防水设计如图12所示。

图12 顶板孔口密封屏蔽结构图

3 试验验证

通过研究攻克了核磁共振成像系统小型化、车载化的技术难题，并攻克了车厢核磁屏蔽技术难题，完成了野外核磁诊断车总体布局、核磁共振成像系统减震安装设计，研制了野外核磁诊断车(如图13所示)。该装备研制完成后，进行了基本性能测试，测试结果见表1，试验照片如图14所示。在中国医科大学附属第一医院、吉林大学第一医院完成了寒区示范应用，在广东省第二人民医院、浙江省人民医院完成了热区示范应用。经过基本性能试验和示范应用验证，野外核磁诊断车达到设计要求，且能够满足野外条件下伤病员的核磁影像诊断要求。

图13 野外核磁诊断车实物图

表1 野外核磁诊断车测试结果

图14 野外核磁诊断车试验示意图

4 结论

为满足自然灾害发生时现场紧急医学救治的迫切需求，亟须开展野外核磁诊断车的研制。为此，本研究针对核磁诊断系统野外条件下的使用特点，开展了核磁共振成像系统车载化、小型化研究，通过磁体、梯度线圈小型化设计以及磁体抗震与抗冲击设计，研发了一种适合车载的小型化核磁共振成像系统。同时进行电磁屏蔽车厢设计及整车总体结构布局设计，研制了野外核磁诊断车，有效解决了核磁共振成像系统野外条件下使用时有效防止磁辐射的技术难题。通过对野外核磁诊断车基本性能试验和示范应用，证明该装备各项性能指标能够有效满足野外条件下伤病员现场影像诊断的需求，为急救人员有效实施手术救治提供依据。但在使用中也发现，方舱内在极高温天气条件下降温速度缓慢，其制冷性能还有待进一步提升。