超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)中的低溫技術(shù)

1超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)中的低溫技術(shù)磁共振成像〔MagneticResonanceImaging，MRI〕是一種生物磁學(xué)核自旋成像技術(shù)。十多年來(lái)，隨著超導(dǎo)、低溫、磁體、射頻及計(jì)算機(jī)圖像處理等高技術(shù)的進(jìn)展，MRI已成為當(dāng)今醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最先進(jìn)的診斷設(shè)備之一。依據(jù)MRI系統(tǒng)主磁體磁場(chǎng)的產(chǎn)生方式，通常將其分為永磁型、常導(dǎo)型〔阻抗型、混合型和超導(dǎo)型四類。由于超導(dǎo)型MRI具有場(chǎng)強(qiáng)高、功耗小〔磁體根本無(wú)功耗、磁場(chǎng)均勻穩(wěn)定和系統(tǒng)信噪比高等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)進(jìn)展格外快速。本文首先介紹超導(dǎo)MRI成像系統(tǒng)的磁場(chǎng)建立過(guò)程及其失超的概念，然后爭(zhēng)論超導(dǎo)磁體的低溫保障技術(shù)。超導(dǎo)環(huán)境的建立同阻抗型磁體一樣，超導(dǎo)型磁體也由線圈的電流產(chǎn)生磁場(chǎng)。兩者的差異主要是線圈的材料不同：前者用一般銅線繞制，而后者由超導(dǎo)線繞成。目前所用超導(dǎo)材料主要是鈮鈦與銅的多絲復(fù)合線，它的工作溫度為4.2〔-26℃泡在液氦里才能正常工作。MRI磁體超導(dǎo)環(huán)境的建立通常需要下述步驟：磁體低溫容器抽真空CFRP或GFRP支撐構(gòu)造下依次裝有環(huán)形真空絕熱層、液氮容器和液氦容器，超導(dǎo)線圈置于液氦容器之中。各容器都有格外好的絕熱性能和密封性能?？梢姵瑢?dǎo)磁體的制造工藝是相當(dāng)精細(xì)的。真空絕熱層是超導(dǎo)磁體的重要保冷屏障，其保冷性能主要打算于它的真空度。因此，抽真空的質(zhì)量直接關(guān)系到超導(dǎo)磁體運(yùn)行后的經(jīng)濟(jì)性能。磁體安裝完畢后，一般在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)其抽真空，但有些廠家的產(chǎn)品出廠前就已抽畢。真空絕熱層抽真空的過(guò)程可分為兩步410Pa1mba〕10-P10-mba。要到達(dá)這樣低的壓力，渦輪分子泵需連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)十小時(shí)，有時(shí)長(zhǎng)達(dá)數(shù)日。此間一旦消滅斷電狀況，就有可能前功盡棄。因此，真空絕熱層抽真空前MRI系統(tǒng)的不連續(xù)電源應(yīng)當(dāng)安裝就緒，以便將渦輪分子泵與其相連，斷電后就有足夠的時(shí)間來(lái)關(guān)閉磁體上的真空閥。到達(dá)所需的真空度后，應(yīng)準(zhǔn)時(shí)關(guān)閉插板閥，以免漏氣。磁體預(yù)冷磁體預(yù)冷是指用Coldhead〔制冷機(jī)冷頭〕和cryogen〔液氮、液氦〕將磁體冷屏和超導(dǎo)線圈溫度分別降至其工作溫度的過(guò)程。由于上述容器與致冷劑的溫差相當(dāng)懸殊，磁體的預(yù)冷常常需要消耗大量液氮和液氦。下面以牛津公司UNISTAT磁體〔1T、1.5T2.0T〕為例來(lái)介紹磁體的預(yù)冷過(guò)程。在實(shí)施預(yù)冷前，先檢查磁體液氦液位計(jì)是否正常。充灌液氮要使用絕熱管線，并嚴(yán)防其凍裂。液氦的灌注則使用專用的真空虹吸管。另外，預(yù)冷時(shí)磁體的全部排氣管道均應(yīng)暢通，并保持磁體室通風(fēng)良好。液氮預(yù)冷比較簡(jiǎn)潔。首先按低溫操作的有關(guān)規(guī)定連接好液氮杜瓦瓶和磁體液氮輸入口，并保持杜瓦瓶?jī)?nèi)20~25kPa〔0.2~0.25bar〕的過(guò)壓力。在這一壓力的驅(qū)動(dòng)下，隨著輸液管道的接通，液氮便緩緩注入磁體液氮容器。但是由于開頭時(shí)容器內(nèi)溫度較高，大量液氮將被蒸發(fā)，液氮的蒸發(fā)使容器內(nèi)的溫度得以降低。一旦液面計(jì)有了讀數(shù)，就說(shuō)明該容器內(nèi)溫度已降至77.4K，即液氮溫度。到此為止，液氮容器的預(yù)冷實(shí)際上已經(jīng)完成了。然而通常的做法是接著輸液，直到液氮布滿其容器，這是將預(yù)冷和輸液兩者合二為一了。不過(guò)，在接著的幾天，尤其是最初的幾小時(shí)內(nèi)，液氮的揮發(fā)會(huì)格外顯著，這是內(nèi)部溫度尚不穩(wěn)定的原因。液氦容器的預(yù)冷一般按下述幾個(gè)步驟進(jìn)展。第一步:用液氮進(jìn)展初冷。由于液氦的溫度〔4.2K，即-268.8℃〕300℃，直接用液氦冷卻將消耗大量昂貴的液氦，可見用液氮進(jìn)展初冷是避開鋪張的舉措。液氦容器初冷的過(guò)程與液氮的預(yù)冷根本相像。不同之處是，可將充灌壓力上升至50kP0.5ba；液氮液面至50%就可以了。用于初冷的液氮在容器內(nèi)要保存三天以上，方可使內(nèi)部溫度穩(wěn)定在液氮溫度1800L液氮。其次步:吹除液氮。初冷時(shí)注入液氮容器的液氮要用高純度氦氣來(lái)吹除。液氮吹除后，該容器內(nèi)實(shí)際上布滿了高純度氦氣。這一狀態(tài)要求保持12h以上。第三步:液氦容器抽真空。這一步的目的，一是防止液氮遺留在液氦容器內(nèi)，二是檢漏。假設(shè)上一步中未將液氮徹底吹凈，注入液氦后它就會(huì)結(jié)為永久性冰塊，其后患是無(wú)窮的。液氦容器泄漏也是磁體常見故障之一，假設(shè)不準(zhǔn)時(shí)排解，勵(lì)磁后損失就更大了。值得指出的是，液氦容器抽真空的步驟只有在磁體真空絕熱層的真空抽畢后才可實(shí)施。第四步:用液氦預(yù)冷。這是磁體預(yù)冷的最終一步，它將使液氦容器最終冷至我們所需要的液10~15kP0.1~0.15ba，使冷卻緩慢進(jìn)展。隨著時(shí)間的推移，被冷容器內(nèi)的溫度會(huì)漸漸降低，但大量液氦將會(huì)揮發(fā)。當(dāng)液面計(jì)出現(xiàn)讀數(shù)時(shí)證明液氦容器已冷至所需溫度，容器內(nèi)的液氦量開頭增加。液氦預(yù)冷過(guò)程將持續(xù)10h，需1000L。超導(dǎo)環(huán)境的建立4.2K到超導(dǎo)態(tài)的轉(zhuǎn)變。4.2K浸泡在液氦中，因此，需要在液氦容器中灌滿液氦。這里液氦的輸入方法與上面的預(yù)冷過(guò)程根本一樣，只是可將灌注壓力稍稍提高些20~25kP。牛津公司UNISTAT580L865L〔包括首次灌注〕就需要消耗多達(dá)4000L3000L的液氦。整個(gè)過(guò)程耗時(shí)五天以上。由此可見，磁體超導(dǎo)環(huán)境的建立是一個(gè)漫長(zhǎng)而簡(jiǎn)單的過(guò)程，必需有條不紊地進(jìn)展。勵(lì)磁勵(lì)磁〔EnergizingTheMagnet〕又叫充磁，是指超導(dǎo)磁體系統(tǒng)在磁體電源的作用下給超導(dǎo)線圈漸漸加以電流，從而建立預(yù)定磁場(chǎng)的過(guò)程。勵(lì)磁一旦成功，就意味著超導(dǎo)磁體線圈將在不消耗能量的狀況下，永久為我們供給強(qiáng)大的、高穩(wěn)定性的勻強(qiáng)磁場(chǎng)。對(duì)于超導(dǎo)磁體，成功勵(lì)磁的首要條件是建立穩(wěn)定的超導(dǎo)環(huán)境；其次，要有一套完善的掌握系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般由電流引線、勵(lì)磁電流掌握電路、勵(lì)磁電流檢測(cè)器、緊急失超開關(guān)和超導(dǎo)開關(guān)等單元組成，它們是超導(dǎo)磁體的一局部；第三，一個(gè)高精度的勵(lì)磁專用電源，這種電源應(yīng)具有大功率、高穩(wěn)定性、重復(fù)性及線性好的特點(diǎn)。例如，2141型磁體電源〔英國(guó)牛津公司出品〕的電流輸出力量高達(dá)400〔11k，精度為0.1，常溫下電流的穩(wěn)定度是200ppm℃，而重300ppm〔紋波系數(shù)〕勵(lì)磁前要做大量的預(yù)備工作。例如，超導(dǎo)環(huán)境剛建立時(shí)，由于低溫容器內(nèi)溫度尚不穩(wěn)定，致冷劑的揮發(fā)過(guò)快，有可能使液氦液面低于80%，應(yīng)補(bǔ)足再勵(lì)磁；要對(duì)有關(guān)的掌握電路，尤其過(guò)程中對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)展動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；徹底清理現(xiàn)場(chǎng)，移走磁體四周的一切鐵磁性物質(zhì)，并預(yù)備好專用的無(wú)磁工具；在磁體室外張貼〔懸掛〕危急標(biāo)志，防止裝有心臟起搏器等體內(nèi)植入物的病人誤入等。另外，給超導(dǎo)磁體勵(lì)磁不是一個(gè)簡(jiǎn)潔的合閘過(guò)程。在勵(lì)磁時(shí)必需充分考慮突然增大的磁場(chǎng)對(duì)磁體本身的作用和超導(dǎo)體的特別性質(zhì)，比方巨變的磁場(chǎng)帶來(lái)的大渦流、超導(dǎo)體的擾動(dòng)效應(yīng)和磁熬煉行為等。不同廠家的磁體對(duì)勵(lì)磁有不同的要求，所需時(shí)間也不盡一樣，但電流的投入一般應(yīng)遵循從小到大、分段掌握的規(guī)律，因而磁場(chǎng)也是逐步建立的。對(duì)于有自屏蔽的磁體，場(chǎng)強(qiáng)每上升一個(gè)值，都要調(diào)整磁體的幾何位置，使之處于重幾十噸的鐵屏蔽體中心。為了按上述規(guī)律勵(lì)磁，磁體電源對(duì)輸出功率的掌握一般都實(shí)行雙重限制，就是既限定輸出電壓，又限定輸出電流。這樣做的另一個(gè)好處，就是使建立磁場(chǎng)的操作安全牢靠。勵(lì)磁一旦完畢，就可通過(guò)超導(dǎo)開關(guān)切斷供電電源，以后強(qiáng)大的電流便在超導(dǎo)線圈中永無(wú)休止地流淌起來(lái)〔超導(dǎo)線所允許的電流密度比一般銅線高出幾十至上百倍，火柴梗粗細(xì)的導(dǎo)體便可通過(guò)200~300A的電流，從而產(chǎn)生高穩(wěn)定度的磁場(chǎng)。超導(dǎo)物理中把這種工作狀態(tài)稱作持續(xù)電流模式PersistentMod1000年。因10-8。由于超導(dǎo)體存在所謂磁通跳動(dòng)〔FluxFlow〕的特性，在持續(xù)電流模式剛剛建立的幾天內(nèi)會(huì)消滅明顯的磁場(chǎng)衰減。最典型的數(shù)值是，最初的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度會(huì)以每小時(shí)百萬(wàn)分之一的速率遞減，并漸漸地接近其穩(wěn)定值。由于每一磁體內(nèi)部的微細(xì)構(gòu)造均有所不同，這一效應(yīng)的作用時(shí)間也就不同，因而磁場(chǎng)的準(zhǔn)確穩(wěn)定值常常是難以預(yù)料的。二、失超及其緣由失超的概念Quenc入正常態(tài)的過(guò)程。超導(dǎo)體是在極高的電流密度下工作的，又處于超低溫環(huán)境。因此，象一般系統(tǒng)的穩(wěn)定性和機(jī)械應(yīng)力一樣，失超永久是超導(dǎo)磁體的一個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題。失超和磁體去磁是兩個(gè)完全不同的概念。去磁只是通過(guò)磁體的特別電路漸漸泄去其儲(chǔ)存的巨大能量，使線圈內(nèi)電流漸漸減小為零，但線圈仍處于超導(dǎo)態(tài)。失超后不僅磁場(chǎng)消逝，線圈也將失去超導(dǎo)性。失超的簡(jiǎn)潔過(guò)程失超的根本過(guò)程是電磁能量轉(zhuǎn)換為熱能的過(guò)程。假設(shè)它所產(chǎn)生的熱能在整個(gè)磁體是均勻分布的，那就不會(huì)引起任何問(wèn)題。但實(shí)際上磁能在線圈繞組四周的傳播是不均勻的，因而從微觀上講失超總是從一點(diǎn)開頭，然后將歐姆熱通過(guò)熱傳導(dǎo)方式向外集中。溫度的上升使線圈局部出現(xiàn)失常區(qū)〔轉(zhuǎn)為正常態(tài)可見失超的發(fā)生是一個(gè)不行逆的過(guò)程，由于失超又會(huì)加熱超導(dǎo)線圈，形成反響。這一過(guò)程中，失超開頭點(diǎn)總是經(jīng)受最高溫升。此局部溫升有可能燒焦線圈的絕緣或熔化超導(dǎo)體，甚至損壞整個(gè)磁體。人們可能認(rèn)為，在失超過(guò)程中磁體兩端會(huì)消滅高電壓。實(shí)際上幾乎全部的壓降都發(fā)生在線圈的內(nèi)部，由于線圈內(nèi)部電感上的電壓和電阻〔失超的結(jié)果〕上的電壓是反向的。失超時(shí)，這種消滅在線圈內(nèi)部失超區(qū)的電壓常達(dá)幾百甚至上千伏，可使匝間產(chǎn)生電弧。一般來(lái)說(shuō)，超導(dǎo)磁體，尤其是MRI的磁體都實(shí)行了有效的失超保護(hù)措施，失超后上述危害不肯定發(fā)生，但是失超產(chǎn)生的熱量卻足以使磁體內(nèi)的數(shù)千升液氦在數(shù)分鐘內(nèi)猛烈蒸發(fā)。失超的緣由導(dǎo)致失超的因素很多，但主要有以下幾方面。磁體本身構(gòu)造和線圈因素正常運(yùn)行的磁體間或消滅的失超和勵(lì)磁過(guò)程中消滅的失超大都是這類緣由造成的。下面從磁體的制造工藝上探討其機(jī)理。大家知道，超導(dǎo)體有很多特別的性質(zhì)，其中之一就是穩(wěn)定性特別差〔固體物理學(xué)上用眾多指標(biāo)對(duì)此進(jìn)展描述。為了得到牢靠的磁體，磁體設(shè)計(jì)中一般承受兩種不同的穩(wěn)定方式。一是全穩(wěn)定方式，還有一種是絕熱穩(wěn)定方式。全穩(wěn)定方式常用于貯能在108~109J以上的磁體，其超導(dǎo)體中的銅組分較高，運(yùn)行時(shí)即使局部導(dǎo)體失超，失超區(qū)也只會(huì)縮小，不能傳開。這種磁體格外穩(wěn)定，但造價(jià)很高。MRI系統(tǒng)承受的是廉價(jià)的絕熱穩(wěn)定式磁體。這種磁體的超導(dǎo)線中銅的組分比上述磁體要少，因而磁體只能承受小的擾動(dòng)，其穩(wěn)定性能要差些，即失超的可能性要大些。MRI磁體的失超大多發(fā)生在勵(lì)磁過(guò)程中。處理不好的線圈在線匝之間存在微小空隙，勵(lì)磁時(shí)在電磁力的作用下，這些線匝可能產(chǎn)生突然移動(dòng)。由于磁體材料的比熱很小，上述線匝移動(dòng)所產(chǎn)生的磨擦熱就會(huì)導(dǎo)致失超。通常狀況下，為了固定線匝，并防止其滑動(dòng)，要用環(huán)氧樹脂澆灌繞好的線圈。這樣做帶來(lái)的問(wèn)題是，當(dāng)勵(lì)磁過(guò)程中線圈整體受到的徑向和軸向的擠壓力大到足以使浸漬的環(huán)氧樹脂局部開裂時(shí)，變形能的釋放會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，從而引發(fā)失超。這也是勵(lì)磁時(shí)電流要緩慢增加的緣由之一。超導(dǎo)材料的不穩(wěn)定很早以前人們就覺察，一個(gè)繞制好的磁體，其性能總達(dá)不到超導(dǎo)體短樣品試驗(yàn)的性能，專業(yè)上將這種現(xiàn)象叫作線圈的退化。線圈退化是超導(dǎo)體很多不穩(wěn)定特性中的一個(gè)。它的存在往往使繞好的線圈未到達(dá)臨界電流就發(fā)生了失超。但是后來(lái)人們又覺察，經(jīng)過(guò)屢次失超后，磁體的性能又得到了逐步的改進(jìn)，改進(jìn)的范圍取決于使用的超導(dǎo)體、線圈的外形和繞制的方法等，這就是所謂熬煉現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)熬煉的磁體，性能已相當(dāng)穩(wěn)定。磁體超低溫環(huán)境被破壞我們知道，超導(dǎo)線圈是浸泡在液氦中工作的。假設(shè)磁體低溫容器中的液氦液面降到肯定限度〔各廠家規(guī)定的液氦低限容量不等〕仍未按規(guī)定補(bǔ)充，則要發(fā)生失超。另外，磁體的真空被破壞后，發(fā)生失超是確定無(wú)疑的。人為因素極易引起失超。例如，在輸液的開頭階段，輸液管尚未完全冷卻到4.2K溫度時(shí)，管中吹出的還是氦氣，此時(shí)將輸液管插入磁體輸液孔是格外危急的。輸液速度過(guò)快也是失超的緣由之一。三、超導(dǎo)環(huán)境的保持超導(dǎo)線圈工作后，我們就獲得了穩(wěn)定的主磁場(chǎng)B，它是磁共振發(fā)生的根本條件。然而超低溫是超導(dǎo)賴以存在的環(huán)境，假設(shè)稍有疏忽，還有發(fā)生失超的危急。失超后無(wú)論是重預(yù)冷、勵(lì)磁，還是MRI系統(tǒng)停機(jī)所造成的經(jīng)濟(jì)損失都是巨大的。為了保持磁體的超導(dǎo)環(huán)境，除了磁體本身須具備失超保護(hù)電路外，每個(gè)MRI工程師還必需例行以下工作。致冷劑液面的觀看和記錄超導(dǎo)MRI系統(tǒng)具有液氦容量的檢測(cè)裝置，自動(dòng)測(cè)定和顯示超導(dǎo)容器內(nèi)致冷劑的容量，這就是液面計(jì)。液面計(jì)一般用相對(duì)容量顯示讀數(shù)。每天必需定時(shí)記錄這些讀數(shù)，液面下降到規(guī)定的數(shù)值時(shí)要馬上通知液氦供給商前來(lái)灌裝。磁體各對(duì)外管口的常規(guī)檢查磁體上方各排氣管路應(yīng)保持暢通，以免容器內(nèi)壓力上升而導(dǎo)致失超。各輸液口應(yīng)密封完好，覺察結(jié)冰要馬上處理。通向室外的失超管應(yīng)有防塵措施，并定期清理，防止堵塞。致冷劑灌裝由于磁體各容器不行避開地存在漏熱，致冷劑在肯定范圍內(nèi)蒸發(fā)屬正?，F(xiàn)象〔液氦揮發(fā)率是衡量磁體經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo)之一。液氦液面降到肯定程度要準(zhǔn)時(shí)補(bǔ)充；液氦只能盛在專用的無(wú)磁杜瓦瓶中運(yùn)輸，且必需用真空輸液管輸送；另外，液氦的灌裝是技術(shù)性格外強(qiáng)的工作，應(yīng)由專業(yè)人員操作。緊急失超開關(guān)〔EMRU〕的治理緊急失超開關(guān)是人工失超的掌握開關(guān)，裝于磁體室內(nèi)。該開關(guān)僅用于地震、火災(zāi)和危及病人生命等突發(fā)大事。出于安全考慮，可在失超按鈕上加裝隔離罩。此外，嚴(yán)格掌握進(jìn)出磁體室的人員也是很必要的。四、氦氣制冷機(jī)及冷水系統(tǒng)液氦作為致冷劑在MRI系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。然而氦在地球中的含量?jī)H十億分之三，在大氣中也僅占百萬(wàn)分之五，屬稀有氣體，加上液化工藝較簡(jiǎn)單，其價(jià)格昂貴。氦氣主要從自然氣中獲得。由于我國(guó)無(wú)富氦自然氣〔0.2~0.3%，而美國(guó)富氦自然氣中氦氣含量高達(dá)1~2，目