医院MRI室氦气泄露模拟

李 席，嵇文静，欧阳翠，孙萧萧，周 密,，许晓光

(1.蚌埠学院材料与化学工程学院，安徽 蚌埠 233030；2.南京理工大学化工学院，江苏 南京 210094；3.安徽祥源科技股份有限公司，安徽 蚌埠 233030)

0 引言

磁共振成像(MRI)设备是当前医院较先进、价格昂贵和需求量大的医疗设备之一，在临床疾病诊疗检测中起到重要作用[1-3]。MRI设备在安装和正常使用期间，液氦不断损耗。为了维持液氦容器的液面稳定、防止失超(低于满液氦面的35%)和保持磁体正常运行，必须定期灌注液氦[4-5]。液氦成本高昂，若发生泄漏，不仅延误患者检查，也将大幅度增加医院使用成本[6]，高浓度的氦气还会使人窒息至死亡。研究表明，氦气泄露(占比23.3%)居中国30件MRI设备不良事件类型首位[7]，因此，MRI室氦气泄露相关研究对企业、医疗机构和监管部门控制MRI设备风险、保障设备高效运行具有重要意义。

吴伟等[8]通过研制一种用于800 M定量核磁共振仪的氦气回收系统，实现循环使用氦气(液)、节省成本约10万元/年。祁云等[9]开发了MRI低温超导磁体冷却系统，达到减少约50%的液氦用量的目的。刘炯[10]认为大型医院可安装统一的氦气回收系统。现有文献侧重于MRI设备的氦气回收，较少涉及MRI室氦气泄露。

鉴于开展MRI室氦气泄露的实验研究存在条件受限等问题，本文用Fluent模拟研究了泄漏口直径、波导窗位置和个数等因素对医院磁共振(MRI)室氦气泄露扩散的影响，以期为氦气泄漏事故预防及处置、设备管理提供参考。

1 计算模型

1.1 基本假设和控制方程

为了简化分析，假设MRI室氦气泄露过程无热量传递，不发生相态变化及化学反应，泄漏速度不变。氦气泄露扩散遵循的基本方程包括连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程等，湍流模型用标准k-ε控制方程[11-14]。

1.2 初始条件

建立二维MRI室物理模型，如图1(a)所见，6 000 mm × 3 900 mm[15]，距离MRI室底部1 000 mm，有直径20 mm泄漏孔，泄漏孔对侧有门，距MRI室地面2 200 mm，MRI运行时，门关闭。距门1 000 mm处有宽300 mm波导窗，即距泄漏口所在边4.7 m。下面研究波导窗位置对MRI室氦气泄露扩散的影响，图1(b)为波导窗距离泄露口所在边1 000 mm时的物理模型，图1(c)为2个波导窗的物理模型。为了进一步研究氦气泄露扩散对人的影响，在计算区域设置监测点，测点所在高度1.5 m[16]，测点坐标为(1.0,1.5)、(3.0,1.5)和(5.0,1.5)。模型网格采用四边形网格，泄漏孔附近网格最大尺寸1 mm，其余区域网格最大尺寸20 mm。计算时波导窗为压力出口，泄漏孔为速度进口，速度5 m/s，其余边设定为墙壁。

(a)波导窗距离门1 000 mm

(b)波导窗距离泄露口1 000 mm

(c)2个波导窗

2 模拟结果与讨论

2.1 泄露口直径的影响

图2和图3是泄露口直径分别为20 mm和50 mm的医院MRI室氦气泄露不同时刻扩散空间分布图，图4为不同监测点氦气质量分数变化曲线。由图2和图3可知，泄露口直径由20 mm增至50 mm时，在相同时间内，氦气释放量增大，氦气初始泄露射流距离增大，扩散过程中形成气云面积和扩散范围均增加，受空气阻力和重力等影响形成涡旋现象愈加明显，气云扩散至地面时间缩短。

根据氦气安全技术说明书，高浓度(约6.7%)氦气使空气中氧气浓度下降至19.5%时，人会头晕、失去知觉甚至死亡。结合图4可知，泄漏口直径由20 mm增至50 mm时，氦气至不同测点所需时间缩短。除了靠近泄露口处，距离泄露源越远，达到使人致命的氦气浓度所需时间越短，危险性越大。

(a)2 s

(b)30 s

(a)2 s

(b)30 s

(a)测点1

(b)测点2

(3)测点3

2.2 波导窗位置的影响

图5为波导窗距泄露口1 m、泄漏口直径20 mm的医院MRI室氦气泄露不同时刻扩散空间分布图，图6为不同监测点氦气质量分数变化曲线。由图2和图5可知，波导窗位置距泄露口的距离1 m时，氦气泄露扩散过程中向波导窗靠近趋势显著，氦气云在水平方向传播变缓，氦气云向MRI室底部扩散趋势变弱，计算时间范围内基本没有接近地面，波导窗与泄露口附近区域氦气浓度更高。分析图6可知，随着波导窗位置距泄露口的距离减小，除了靠近泄露口附近(测点3)氦气浓度显著增加之外，其余测点处相同时刻氦气浓度均降低；距离泄露口越远的测点，到达使人危险的氦气浓度所需时间越长，安全性增加。

(a)2 s

(b)30 s

(a)测点1

(b)测点2

(3)测点3

2.3 波导窗个数的影响

图7为2个波导窗时、泄漏口直径20 mm的医院MRI室氦气泄露不同时刻扩散空间分布图，图8为不同监测点氦气质量分数变化曲线。由图2、图5和图7可知，医院MRI室有2个波导窗时，初始阶段，氦气泄露扩散向泄露口附近上方扩散趋势显著，在水平方向传播变缓，随着时间增加，氦气云向医院MRI室地面扩散，扩散过程形成的气云面积较小。分析图6和图8可知，有2个波导窗时，距离泄露口近的位置(测点3)与2.2节情况类似，而距离泄露口较远的位置(测点1和测点2)，在计算时间范围内，氦气浓度均低于危险值，安全区域最大，

(a)2 s

(b)30 s

(a)测点1

(b)测点2

(3)测点3

3 结论

(1)泄漏口直径增大，相同时间内氦气释放量和初始泄露射流距离均增大，区域内涡旋现象愈明显，气云扩散至地面的时间缩短。除了靠近泄露口处，距离泄露源越远，达到使人致命的氦气浓度所需时间越短，危险性越大。

(2)波导窗位置靠近泄露口时，氦气泄露在水平方向传播变缓，氦气云向MRI室底部扩散趋势变弱，距离泄露口越远，到达使人危险的氦气浓度所需时间越长，安全性越高。

(3)医院MRI室有2个波导窗时，扩散过程形成的气云面积较小。距离泄露口较远的位置，氦气浓度均低于危险值，安全区域最大。