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核磁創新發展之零液氮技術

作者:天馳液氮罐 來源:轉載 日期:2014-09-22 9:32:09 人氣:46 加入收藏 標簽:液氮 零液氮技術

醫用磁共振成像儀(MRI)是最先進的無損傷快速斷面成像設備,已廣泛用于人體成像診斷疾病、早期檢測腫瘤(分辯率達1.5mm)和心血管發病預兆,具有很高的臨床價值。磁共振成象裝置已成為當今醫院中最大型的低溫診療機器,是醫療現代化的重要標志。

磁體系統是磁共振成像儀中的關鍵部件,由于它具有大孔口、高磁場、高均勻性和高可靠性要求,必須采用超導磁體。因此,MRI技術直接涉及液氦冷卻技術和低溫制冷機傳導冷卻技術。

一、MRI裝置——液氦冷卻的發展歷程

(1) 敞口式超導磁體液氦杜瓦

1985 年前,所有的MRI超導磁體系統都是敞口式的。超導磁體被沉浸在一個液氦杜瓦中,液氦容量大約為300—1500升。液氦容器外面包圍著一個氦蒸氣冷卻 屏,利用容器內蒸發的氦蒸氣將其冷卻到大約30K,保證內容器中液氦的低蒸發。氦蒸氣冷卻屏外面又包圍著一個液氮保護屏,與一個附加的液氮容器相連接。液氮保護屏與外殼體之間為多層絕熱。液氦的損失大約為0.5—1 L/h,要求一個月補充一次液氦。由于裝置了液氮保護屏,還需要有一個外貯存系統通過自動補液裝置經常補充液氮。敞口杜瓦系統需要由低溫技術人員來操作。加之,液氦價格高昂,不易獲得。因此不能受到用戶普遍歡迎,只能在大城市的研究型醫院使用。

(2) 采用G-M制冷機的液氦杜瓦

雖然A.Little公司在1960年就推出了第一臺兩級G-M制冷機,但由于不維修時間只有幾星期到幾個月,難以獲得廣泛應用。在70年代,低溫冷凝真空泵的快速發展促進了低溫制冷機性能和可靠性的提高,也為在MRI液氦杜瓦中的應用創造了條件。當時的兩級G-M制冷機在80K時的制冷量為50W、在 20K時為5W,輸入功率大約為1.7~3.0 KW。運轉頻率大約為1Hz,維修間隔為18個月。采用兩級制冷機的MRI液氦杜瓦系統的補充液氦的間隔大為增長。在這種情況下,制冷機的第一級用來冷卻80K冷屏,因而省去了附加液氮冷卻的需要。制冷機的 第二級用來冷卻30K冷屏到更低溫度,例如15K,使液氦的蒸發損失減少為0.2~0.3L/h,因而將1200L的液氦容器工作到20%的液體,能維持 到4-6個月。下圖示出采用兩級G-M制冷機的MRI超導磁體恒溫器的結構布置。制冷機與冷屏之間通過傳導傳熱,彼此應有良好的熱接觸。在需要維修時制 冷機應易于移走,并保證杜瓦的絕熱真空不會破壞。由于80K冷屏具有一定的熱穩定性,維修時將制冷機關閉或從恒溫器中移出時,屏溫的變化不會很明顯。

1985年以后,采用兩級G-M制冷機的MRI液氦杜瓦開始批量生產,維修間隔增長到每年一次。從而把MRI系統的市場化推向一個新的水平?,F 在,MRI系統已被 廣泛應用到各種醫院、診所和流動醫院,而不再僅僅局限于大城市的研究型醫院。這應歸功于G-M制冷機的性能改善和提高。

(3) 具有零蒸發的MRI液氦杜瓦

零蒸發的MRI液氦杜瓦是一種理想的設計方案,如果能夠實現,將使MRI的操作和維護帶來很大的方便。在1990年之前,低溫界一直在探討采用4K 級J-T 回路的氦氣再冷凝制冷機的可能性,因為傳統的兩級G-M制冷機的最低制冷溫度為8-10K,不能使氦液化。因此,采用具有J-T回路的兩級制冷機系統是一 個頗為理想的方案,機器的第一、二級可以分別用來冷卻80K和30K冷屏,而節流級制冷溫度(4K)則用來使蒸發的氦蒸氣再冷凝,使液氦容器中的液氦損耗率降為零。但是,具有J-T回路的制冷系統結構復雜、價格昂貴,而且還需要有一種冷卻磁體電流引線和儀表引線的新方法,原來它們是由蒸發的氦氣冷卻的。

上世紀80年代后期對稀土金屬化合物回熱填料在低溫制冷機中的應用研究取得了突破性進展,兩級G-M制冷機的制冷溫度從傳統的10K左右降低到液氦 溫度以 下,并且在4.2K下可獲得1W以上的制冷量?,F在,這種新型的G-M制冷機已有批量產品,可用于MRI系統。例如,日本住友重機公司推出的4K級G-M 制冷機系列,在4K時的制冷量分別為0.5w,1.0w和1.5w。壓縮機為空冷或水冷,制冷機可在各種朝向下工作。制冷機的無維修工作時間 MBTF≥20000h。較之帶J-T系統的低溫制冷機,它具有結構簡單緊湊,成本低廉等優點。它在MRI中的應用可實現液氦杜瓦的無損貯存,因而零蒸發 的MRI液氦杜瓦應運而生。

美國通用電器公司(GE)設計的零蒸發液氦杜瓦。在這個系統中,磁體沉浸在液氦中,采用一臺兩級制冷機,制冷機的第一級用以冷卻傳 導屏; 第二級用來使蒸發的氦蒸氣再冷凝,消除了對裝置磁體的液氦容器補充液氦的需要。這樣,MRI系統一次裝滿液氦后就可以穩定運轉很長時間,制冷機也只需日常 的維護。這種零蒸發的新產品具有下列特點:1)消除了一個80K冷屏,杜瓦系統更加緊湊;2)制造成本下降;3)液氦的損耗量最??;4)維護更容易、維修頻率更低。在液氦價格昂貴且沒有熟練低溫人員的地方,零蒸發設計在許多市場倍受歡迎。

(4) 采用傳導冷卻磁體的MRI裝置

在新開發的采用傳導冷卻磁體的MRI系統中,使用兩級低溫制冷機取代液氦,承擔同時冷卻磁體和冷屏的任務。這樣可以使傳統杜瓦的雙冷屏絕熱結構簡化為只有一 個冷屏。同時,由于去除了液氦容器和一個冷屏之后,使低溫恒溫器的尺寸大為減少,成本也大幅度下降,并使系統變成開式成為可能。

1993 年,GE公司制成一臺0.5T的用傳導冷卻磁體的開式裝置,如下圖所示。磁體由三個Nb3Sn線圈組成,每個線圈分成兩半, 被一對制冷機傳導冷卻到10K。用于制冷的兩臺G-M制冷機的冷頭裝于恒溫器底部的一個抽空殼套中,以獲得高度可靠性和易于維護,通過兩臺制冷機的合作,使超導線圈保持在低于其臨界溫度13.5K以下的低溫。

采用傳導冷卻的MRI裝置于1994年首先由GE公司生產。這種開式磁體系統不僅消除了對液氦供運的需要,而且能減輕病人在檢測中的恐懼感、施行介入療法,在診斷的同時進行治療。

總之,從上述MRI裝置的4個典型的發展過程,清楚地看到了MRI技術與低溫技術的密切關系。首先,制冷機在超導液氦杜瓦絕熱腔中的應用,消除了液氮保護屏和附加液氮槽的需要。其次,這種設計只用制冷機來冷卻絕熱冷屏而不去冷卻液氦槽,使磁體對制冷機的故障不敏感,導致系統的高度可靠性。成為MRI裝置產品走向市場的里程碑。

4K級G-M制冷機的突破性進展,導致MRI實現了超導液氦杜瓦零蒸發的夢想。采用雙制冷機傳導冷卻MRI,不僅消除了液氦的需要,使裝置的尺寸和重量大幅度減小,而且可使磁體設計成開式系統,可采用介入療法,受到用戶歡迎。

MRI裝置今后的進一步發展仍然在很大程度上與制冷機相關,例如,G-M制冷機成本的下降和壽命的提高,脈管制冷機的穩定性的提高和應用,都將會對MRI醫療設備的新發展帶來新動力。

二、無液氦超導磁體研發

中國科學院電工研究所研制成功具有10T高磁場、100mm孔徑可以長期運行的無液氦超導磁體系統。該系統已于09年通過中國計量科學院的現場測試,可供長期穩定運行。

普通的高磁場超導磁體需要在液氦環境下運行,但是日益高漲的液氦價格使得磁體運行成本高昂,繁瑣復雜的液氦操作也限制了超導磁體的廣泛應用。研究和發展新型的超導磁體系統以消除對于液氦的依賴和節省運行成本具有重要的意義。中科院電工所王秋良研究組,長期致力于具有特種功能和結構的復雜磁場分布的高磁場超導磁體科學和技術的研究。在中科院重大儀器項目和國家自然科學基金資助下,研制成功具有10T/100mm大口徑的無液氦高磁場超導磁體系統,解決了一系列 關鍵的基礎技術問題。研制成功的超導磁體可提供的最大磁場為10.3T,磁體的室溫可利用孔徑為100mm,運行電流為120A,超導線圈的整體溫度之差 小于0.1K,磁體的最低運行溫度達到3.6K。超導磁體系統實現連續運行,先后提供給中國科學院理化技術研究所、西門子(中國)有限公司、天津醫科大學、深圳大學、農業科學研究院等單位進行了物理和生物醫學、海水淡化等方面的科學實驗研究。

該項技術的發展極大降低了系統運行費用,為超導強磁場技術的應用開辟了一個新的時代,尤其對于需要長期運行的超導磁體(例如核磁共振NMR,MRI及其它科學儀器)具有重要的科學應用價值。系統的研制成功使得我國躋身于實用化超導磁體研究開發的國際先進行列。

10T/100mm無液氦高磁場大口徑超導磁體系統

三、現有零液氦MRI品牌列舉

G.P.S三家中,1.5TMRI分別是:GE Signa HDe 1.5T新一代ECO 磁共振,飛利浦Achieva 1.5T H,西門子MAGNETESSENZA 1.5T磁共振,其中西門子這款MRI采用的就是零液氦消耗技術。

2008年北美放射年會上,飛利浦推出業界首臺多源發射磁共振Achieva 3.0T TX,堪稱開創3.0T的里程碑。此款設備采用的就是業界領先的零液氦消耗的磁體技術。(節省運行成本,無停機風險)在正常工作狀態下,充填間隔達十年以上,而其他兩家公司則分別要四年充填周期甚至個月就需充填一次。這樣一來僅液氦一項,以機器十年的使用期計算,將為醫院節省至少120萬元人民幣。同時由于目前液氦短缺,如果在需要充填液氦時找不到貨源,將面臨停機影響正常的工作的風險。

有公司正在研發1.5T液氦零揮發核磁共振成像超導磁體,此項目是2012年山東省自主創新成果轉化重大專項項目入庫項目。

四、MRI設備整體發展趨勢

(1)MRI的主磁場強度不斷提高,20世紀80年代從最初0.16 T(甚至0.04 T),逐步升高至0.35 T,再經0.5 T升至1.0 T,然后在相當長的時期內(上世紀90年代)穩定在1.5 T(個別公司曾經生產過2.0 T的設備),而21世紀初3.0 T磁共振問世,經過10年發展,技術逐漸成熟,我國2002年裝備首臺3.0 T設備,至2010年末全國裝機量已經達到近200臺。

(2)伴隨主磁場強度的不斷提高,其接受線圈也歷經體線圈、表面線圈、正交線圈、相控陣線圈、多通道(甚至全身一體化)線圈的發展歷程。

(3)雖然MRI具有多優點,但是其掃描速度較慢,為其主要不足之處。近年來MRI的掃描速度逐年加快,主要通過梯度場場強不斷提高,切換率逐漸加快和并行采集技術來實現秒級、屏氣掃描或者獲得實時動態圖像。掃描速度慢是制約MRI臨床應用的瓶頸問題,科學家仍然進行不懈的努力以縮短總檢查時間。期間還出現過雙梯度發射場技術。

(4)目前MRI技術進步主要體現在磁體方面,包括推出短磁體、大孔徑磁體,以提高被檢查者舒適度,降低“幽閉恐懼”發生率,大孔徑磁體還有助于實現MRI/PET一體機。此外,由于冷頭技術的進步,高場強磁體已經實現“零液氦”添加,可以每3~5年添加一次液氦,使運行成本大為降低。

(5)近年來MRI設備的技術進步主要體現在射頻多通道發射方面,以使激發野更為均勻,降低圖像變形和偽影。

(6)在現有技術不變的情況下,進一步優化脈沖序列和掃描參數,編制新的圖像后處理軟件和簡化操作流程,使工作效率得到進一步提高。此文轉載自器械科,內容僅供參考。

本文網址:http://www.thomastrials.com/Industry/895.html
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