超导磁共振成像系统中的低温技术

1超导磁共振成像系统中的低温技术磁共振成像〔MagneticResonanceImaging，MRI〕是一种生物磁学核自旋成像技术。十多年来，随着超导、低温、磁体、射频及计算机图像处理等高技术的进展，MRI已成为当今医学领域最先进的诊断设备之一。依据MRI系统主磁体磁场的产生方式，通常将其分为永磁型、常导型〔阻抗型、混合型和超导型四类。由于超导型MRI具有场强高、功耗小〔磁体根本无功耗、磁场均匀稳定和系统信噪比高等优点，近年来进展格外快速。本文首先介绍超导MRI成像系统的磁场建立过程及其失超的概念，然后争论超导磁体的低温保障技术。超导环境的建立同阻抗型磁体一样，超导型磁体也由线圈的电流产生磁场。两者的差异主要是线圈的材料不同：前者用一般铜线绕制，而后者由超导线绕成。目前所用超导材料主要是铌钛与铜的多丝复合线，它的工作温度为4.2〔-26℃泡在液氦里才能正常工作。MRI磁体超导环境的建立通常需要下述步骤：磁体低温容器抽真空CFRP或GFRP支撑构造下依次装有环形真空绝热层、液氮容器和液氦容器，超导线圈置于液氦容器之中。各容器都有格外好的绝热性能和密封性能。可见超导磁体的制造工艺是相当精细的。真空绝热层是超导磁体的重要保冷屏障，其保冷性能主要打算于它的真空度。因此，抽真空的质量直接关系到超导磁体运行后的经济性能。磁体安装完毕后，一般在现场对其抽真空，但有些厂家的产品出厂前就已抽毕。真空绝热层抽真空的过程可分为两步410Pa1mba〕10-P10-mba。要到达这样低的压力，涡轮分子泵需连续运转数十小时，有时长达数日。此间一旦消灭断电状况，就有可能前功尽弃。因此，真空绝热层抽真空前MRI系统的不连续电源应当安装就绪，以便将涡轮分子泵与其相连，断电后就有足够的时间来关闭磁体上的真空阀。到达所需的真空度后，应准时关闭插板阀，以免漏气。磁体预冷磁体预冷是指用Coldhead〔制冷机冷头〕和cryogen〔液氮、液氦〕将磁体冷屏和超导线圈温度分别降至其工作温度的过程。由于上述容器与致冷剂的温差相当悬殊，磁体的预冷常常需要消耗大量液氮和液氦。下面以牛津公司UNISTAT磁体〔1T、1.5T2.0T〕为例来介绍磁体的预冷过程。在实施预冷前，先检查磁体液氦液位计是否正常。充灌液氮要使用绝热管线，并严防其冻裂。液氦的灌注则使用专用的真空虹吸管。另外，预冷时磁体的全部排气管道均应畅通，并保持磁体室通风良好。液氮预冷比较简洁。首先按低温操作的有关规定连接好液氮杜瓦瓶和磁体液氮输入口，并保持杜瓦瓶内20~25kPa〔0.2~0.25bar〕的过压力。在这一压力的驱动下，随着输液管道的接通，液氮便缓缓注入磁体液氮容器。但是由于开头时容器内温度较高，大量液氮将被蒸发，液氮的蒸发使容器内的温度得以降低。一旦液面计有了读数，就说明该容器内温度已降至77.4K，即液氮温度。到此为止，液氮容器的预冷实际上已经完成了。然而通常的做法是接着输液，直到液氮布满其容器，这是将预冷和输液两者合二为一了。不过，在接着的几天，尤其是最初的几小时内，液氮的挥发会格外显著，这是内部温度尚不稳定的原因。液氦容器的预冷一般按下述几个步骤进展。第一步:用液氮进展初冷。由于液氦的温度〔4.2K，即-268.8℃〕300℃，直接用液氦冷却将消耗大量昂贵的液氦，可见用液氮进展初冷是避开铺张的举措。液氦容器初冷的过程与液氮的预冷根本相像。不同之处是，可将充灌压力上升至50kP0.5ba；液氮液面至50%就可以了。用于初冷的液氮在容器内要保存三天以上，方可使内部温度稳定在液氮温度1800L液氮。其次步:吹除液氮。初冷时注入液氮容器的液氮要用高纯度氦气来吹除。液氮吹除后，该容器内实际上布满了高纯度氦气。这一状态要求保持12h以上。第三步:液氦容器抽真空。这一步的目的，一是防止液氮遗留在液氦容器内，二是检漏。假设上一步中未将液氮彻底吹净，注入液氦后它就会结为永久性冰块，其后患是无穷的。液氦容器泄漏也是磁体常见故障之一，假设不准时排解，励磁后损失就更大了。值得指出的是，液氦容器抽真空的步骤只有在磁体真空绝热层的真空抽毕后才可实施。第四步:用液氦预冷。这是磁体预冷的最终一步，它将使液氦容器最终冷至我们所需要的液10~15kP0.1~0.15ba，使冷却缓慢进展。随着时间的推移，被冷容器内的温度会渐渐降低，但大量液氦将会挥发。当液面计出现读数时证明液氦容器已冷至所需温度，容器内的液氦量开头增加。液氦预冷过程将持续10h，需1000L。超导环境的建立4.2K到超导态的转变。4.2K浸泡在液氦中，因此，需要在液氦容器中灌满液氦。这里液氦的输入方法与上面的预冷过程根本一样，只是可将灌注压力稍稍提高些20~25kP。牛津公司UNISTAT580L865L〔包括首次灌注〕就需要消耗多达4000L3000L的液氦。整个过程耗时五天以上。由此可见，磁体超导环境的建立是一个漫长而简单的过程，必需有条不紊地进展。励磁励磁〔EnergizingTheMagnet〕又叫充磁，是指超导磁体系统在磁体电源的作用下给超导线圈渐渐加以电流，从而建立预定磁场的过程。励磁一旦成功，就意味着超导磁体线圈将在不消耗能量的状况下，永久为我们供给强大的、高稳定性的匀强磁场。对于超导磁体，成功励磁的首要条件是建立稳定的超导环境；其次，要有一套完善的掌握系统。该系统一般由电流引线、励磁电流掌握电路、励磁电流检测器、紧急失超开关和超导开关等单元组成，它们是超导磁体的一局部；第三，一个高精度的励磁专用电源，这种电源应具有大功率、高稳定性、重复性及线性好的特点。例如，2141型磁体电源〔英国牛津公司出品〕的电流输出力量高达400〔11k，精度为0.1，常温下电流的稳定度是200ppm℃，而重300ppm〔纹波系数〕励磁前要做大量的预备工作。例如，超导环境刚建立时，由于低温容器内温度尚不稳定，致冷剂的挥发过快，有可能使液氦液面低于80%，应补足再励磁；要对有关的掌握电路，尤其过程中对磁场进展动态监测；彻底清理现场，移走磁体四周的一切铁磁性物质，并预备好专用的无磁工具；在磁体室外张贴〔悬挂〕危急标志，防止装有心脏起搏器等体内植入物的病人误入等。另外，给超导磁体励磁不是一个简洁的合闸过程。在励磁时必需充分考虑突然增大的磁场对磁体本身的作用和超导体的特别性质，比方巨变的磁场带来的大涡流、超导体的扰动效应和磁熬炼行为等。不同厂家的磁体对励磁有不同的要求，所需时间也不尽一样，但电流的投入一般应遵循从小到大、分段掌握的规律，因而磁场也是逐步建立的。对于有自屏蔽的磁体，场强每上升一个值，都要调整磁体的几何位置，使之处于重几十吨的铁屏蔽体中心。为了按上述规律励磁，磁体电源对输出功率的掌握一般都实行双重限制，就是既限定输出电压，又限定输出电流。这样做的另一个好处，就是使建立磁场的操作安全牢靠。励磁一旦完毕，就可通过超导开关切断供电电源，以后强大的电流便在超导线圈中永无休止地流淌起来〔超导线所允许的电流密度比一般铜线高出几十至上百倍，火柴梗粗细的导体便可通过200~300A的电流，从而产生高稳定度的磁场。超导物理中把这种工作状态称作持续电流模式PersistentMod1000年。因10-8。由于超导体存在所谓磁通跳动〔FluxFlow〕的特性，在持续电流模式刚刚建立的几天内会消灭明显的磁场衰减。最典型的数值是，最初的几个小时内磁场强度会以每小时百万分之一的速率递减，并渐渐地接近其稳定值。由于每一磁体内部的微细构造均有所不同，这一效应的作用时间也就不同，因而磁场的准确稳定值常常是难以预料的。二、失超及其缘由失超的概念Quenc入正常态的过程。超导体是在极高的电流密度下工作的，又处于超低温环境。因此，象一般系统的稳定性和机械应力一样，失超永久是超导磁体的一个严峻问题。失超和磁体去磁是两个完全不同的概念。去磁只是通过磁体的特别电路渐渐泄去其储存的巨大能量，使线圈内电流渐渐减小为零，但线圈仍处于超导态。失超后不仅磁场消逝，线圈也将失去超导性。失超的简洁过程失超的根本过程是电磁能量转换为热能的过程。假设它所产生的热能在整个磁体是均匀分布的，那就不会引起任何问题。但实际上磁能在线圈绕组四周的传播是不均匀的，因而从微观上讲失超总是从一点开头，然后将欧姆热通过热传导方式向外集中。温度的上升使线圈局部出现失常区〔转为正常态可见失超的发生是一个不行逆的过程，由于失超又会加热超导线圈，形成反响。这一过程中，失超开头点总是经受最高温升。此局部温升有可能烧焦线圈的绝缘或熔化超导体，甚至损坏整个磁体。人们可能认为，在失超过程中磁体两端会消灭高电压。实际上几乎全部的压降都发生在线圈的内部，由于线圈内部电感上的电压和电阻〔失超的结果〕上的电压是反向的。失超时，这种消灭在线圈内部失超区的电压常达几百甚至上千伏，可使匝间产生电弧。一般来说，超导磁体，尤其是MRI的磁体都实行了有效的失超保护措施，失超后上述危害不肯定发生，但是失超产生的热量却足以使磁体内的数千升液氦在数分钟内猛烈蒸发。失超的缘由导致失超的因素很多，但主要有以下几方面。磁体本身构造和线圈因素正常运行的磁体间或消灭的失超和励磁过程中消灭的失超大都是这类缘由造成的。下面从磁体的制造工艺上探讨其机理。大家知道，超导体有很多特别的性质，其中之一就是稳定性特别差〔固体物理学上用众多指标对此进展描述。为了得到牢靠的磁体，磁体设计中一般承受两种不同的稳定方式。一是全稳定方式，还有一种是绝热稳定方式。全稳定方式常用于贮能在108~109J以上的磁体，其超导体中的铜组分较高，运行时即使局部导体失超，失超区也只会缩小，不能传开。这种磁体格外稳定，但造价很高。MRI系统承受的是廉价的绝热稳定式磁体。这种磁体的超导线中铜的组分比上述磁体要少，因而磁体只能承受小的扰动，其稳定性能要差些，即失超的可能性要大些。MRI磁体的失超大多发生在励磁过程中。处理不好的线圈在线匝之间存在微小空隙，励磁时在电磁力的作用下，这些线匝可能产生突然移动。由于磁体材料的比热很小，上述线匝移动所产生的磨擦热就会导致失超。通常状况下，为了固定线匝，并防止其滑动，要用环氧树脂浇灌绕好的线圈。这样做带来的问题是，当励磁过程中线圈整体受到的径向和轴向的挤压力大到足以使浸渍的环氧树脂局部开裂时，变形能的释放会转化为热能，从而引发失超。这也是励磁时电流要缓慢增加的缘由之一。超导材料的不稳定很早以前人们就觉察，一个绕制好的磁体，其性能总达不到超导体短样品试验的性能，专业上将这种现象叫作线圈的退化。线圈退化是超导体很多不稳定特性中的一个。它的存在往往使绕好的线圈未到达临界电流就发生了失超。但是后来人们又觉察，经过屡次失超后，磁体的性能又得到了逐步的改进，改进的范围取决于使用的超导体、线圈的外形和绕制的方法等，这就是所谓熬炼现象。经过熬炼的磁体，性能已相当稳定。磁体超低温环境被破坏我们知道，超导线圈是浸泡在液氦中工作的。假设磁体低温容器中的液氦液面降到肯定限度〔各厂家规定的液氦低限容量不等〕仍未按规定补充，则要发生失超。另外，磁体的真空被破坏后，发生失超是确定无疑的。人为因素极易引起失超。例如，在输液的开头阶段，输液管尚未完全冷却到4.2K温度时，管中吹出的还是氦气，此时将输液管插入磁体输液孔是格外危急的。输液速度过快也是失超的缘由之一。三、超导环境的保持超导线圈工作后，我们就获得了稳定的主磁场B，它是磁共振发生的根本条件。然而超低温是超导赖以存在的环境，假设稍有疏忽，还有发生失超的危急。失超后无论是重预冷、励磁，还是MRI系统停机所造成的经济损失都是巨大的。为了保持磁体的超导环境，除了磁体本身须具备失超保护电路外，每个MRI工程师还必需例行以下工作。致冷剂液面的观看和记录超导MRI系统具有液氦容量的检测装置，自动测定和显示超导容器内致冷剂的容量，这就是液面计。液面计一般用相对容量显示读数。每天必需定时记录这些读数，液面下降到规定的数值时要马上通知液氦供给商前来灌装。磁体各对外管口的常规检查磁体上方各排气管路应保持畅通，以免容器内压力上升而导致失超。各输液口应密封完好，觉察结冰要马上处理。通向室外的失超管应有防尘措施，并定期清理，防止堵塞。致冷剂灌装由于磁体各容器不行避开地存在漏热，致冷剂在肯定范围内蒸发属正常现象〔液氦挥发率是衡量磁体经济性能的重要指标之一。液氦液面降到肯定程度要准时补充；液氦只能盛在专用的无磁杜瓦瓶中运输，且必需用真空输液管输送；另外，液氦的灌装是技术性格外强的工作，应由专业人员操作。紧急失超开关〔EMRU〕的治理紧急失超开关是人工失超的掌握开关，装于磁体室内。该开关仅用于地震、火灾和危及病人生命等突发大事。出于安全考虑，可在失超按钮上加装隔离罩。此外，严格掌握进出磁体室的人员也是很必要的。四、氦气制冷机及冷水系统液氦作为致冷剂在MRI系统中得到了广泛应用。然而氦在地球中的含量仅十亿分之三，在大气中也仅占百万分之五，属稀有气体，加上液化工艺较简单，其价格昂贵。氦气主要从自然气中获得。由于我国无富氦自然气〔0.2~0.3%，而美国富氦自然气中氦气含量高达1~2，目