【作 者】劉 炯

上海市醫(yī)療器械檢測(cè)所，上海市，201318

1 磁共振成像系統(tǒng)概述

通常按磁體類型對(duì)磁共振成像設(shè)備進(jìn)行分類，有常導(dǎo)型、超導(dǎo)型和永磁型三種。磁體的性能直接關(guān)系到磁場(chǎng)的強(qiáng)度、均勻性和穩(wěn)定性，并影響圖像質(zhì)量。常導(dǎo)型磁體用銅、鋁線繞成通電螺線管來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度最高可達(dá)(0.15～0.3)T。由于常導(dǎo)型磁體的能耗高、場(chǎng)強(qiáng)低和附帶的冷卻設(shè)備復(fù)雜等缺點(diǎn)，現(xiàn)在已基本退出了主流市場(chǎng)，只在一些特別的領(lǐng)域（開(kāi)放式術(shù)中磁共振領(lǐng)域）內(nèi)有一些應(yīng)用。

永磁型磁共振成像設(shè)備的磁體是由兩塊巨大的磁石組成，磁石用釹、鐵、硼等磁性物質(zhì)制成的磁磚疊加而成，磁場(chǎng)強(qiáng)度最高可達(dá)0.5 T。每塊磁石的重量數(shù)以噸計(jì)，0.5 T的永磁型磁共振的磁體的總重量接近40噸。永磁型磁共振成像設(shè)備價(jià)格便宜，維護(hù)成本低，圖像質(zhì)量基本能滿足臨床需求。但是，它對(duì)高端的應(yīng)用就不能實(shí)現(xiàn)了，而且對(duì)于珍貴的稀土材料消耗巨大。

超導(dǎo)型磁共振成像設(shè)備的磁體復(fù)雜，線圈用超導(dǎo)線繞成，磁場(chǎng)強(qiáng)度一般為(1.0～3.0)T，用液氦冷卻，利用數(shù)百安培的大電流在超導(dǎo)線圈中運(yùn)行來(lái)產(chǎn)生磁場(chǎng)。其優(yōu)點(diǎn)是較強(qiáng)的主磁場(chǎng)強(qiáng)度，很好的磁場(chǎng)穩(wěn)定性和均勻性，且勻場(chǎng)區(qū)域較大。因其比其它磁共振成像設(shè)備具有更高的信噪比、更高的分辨率和更靈活先進(jìn)的臨床應(yīng)用等特點(diǎn)成為高端醫(yī)療診斷設(shè)備。在過(guò)去我國(guó)只能生產(chǎn)永磁型磁共振設(shè)備，超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)完全依靠外資背景的供應(yīng)商提供。這兩年，隨著超導(dǎo)磁體生產(chǎn)工藝技術(shù)的突破和稀土資源節(jié)約意識(shí)的增強(qiáng)，擁有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超導(dǎo)型磁共振成像設(shè)備開(kāi)始出現(xiàn)。

但是超導(dǎo)型磁共振系統(tǒng)制造工藝特別復(fù)雜，運(yùn)行環(huán)境要求特別高，而且超導(dǎo)磁體本身就存在著一些需要仔細(xì)考慮才能避免的安全風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)行的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)僅僅將超導(dǎo)磁體的安全特性放在超導(dǎo)磁共振成像設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行籠統(tǒng)的考慮，并不能非常有效的促進(jìn)企業(yè)對(duì)安全措施的實(shí)施和管理。本文將分析超導(dǎo)磁體的關(guān)鍵安全風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，并且討論基于型式檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)進(jìn)行的試驗(yàn)和認(rèn)證。

圖1是超導(dǎo)磁體的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。超導(dǎo)磁體的主要關(guān)鍵部件，是用于產(chǎn)生主磁場(chǎng)的超導(dǎo)線圈和減少磁場(chǎng)外泄的屏蔽線圈，超導(dǎo)線圈和屏蔽線圈都是由超導(dǎo)線材緊密繞制而成，他們連同支架一起浸沒(méi)在液氦內(nèi)，工作在接近絕對(duì)零度約-270℃的超低溫下。整個(gè)液氦容器與磁體壁真空隔離，之間有兩層冷屏，用于減少熱傳導(dǎo)。但是隨著絕熱技術(shù)和真空技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)的超導(dǎo)磁體已經(jīng)減少了冷屏。

圖1 超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structure of superconductive magnet

冷頭連接氦氣壓縮機(jī)，氦氣壓縮機(jī)能產(chǎn)生液化揮發(fā)出的氦氣所需要的低溫，可以把它簡(jiǎn)單地理解為一個(gè)超低溫制冷機(jī)。液氦的揮發(fā)是不可能完全避免的，所以需要一組非常復(fù)雜和精心設(shè)計(jì)的閥門(mén)來(lái)有效的控制氦氣的揮發(fā)，用來(lái)確保整個(gè)磁體內(nèi)部的壓力不超過(guò)設(shè)計(jì)壓力。

在某些情況下，超導(dǎo)磁體會(huì)失超，會(huì)在幾分鐘內(nèi)產(chǎn)生大約900 m3的氣化氦氣，這時(shí)就需要失超管路和閥門(mén)組的高效工作，將這些氦氣高速排出。否則，溫度極低的氦氣將會(huì)凍結(jié)一切（包括空氣），導(dǎo)致重大人員凍傷亡事件，磁體也會(huì)在巨大的氦氣膨脹壓力下發(fā)生爆裂等嚴(yán)重事件，所以超導(dǎo)磁體的安全性應(yīng)予特別關(guān)注。

2 超導(dǎo)磁體的安全性

依據(jù)GB9706.1-2007標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的醫(yī)療設(shè)備的安全性要求，我們需要應(yīng)用通標(biāo)中的如下一些章節(jié)考察超導(dǎo)磁體的安全性：第45章—壓力容器和受壓部件；第三篇—對(duì)電擊危險(xiǎn)的防護(hù)。需要特別指出的是，目前GB9706.1-2007和YY0319-2008 對(duì)磁體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的考察，以及對(duì)于失超時(shí)的保護(hù)措施試驗(yàn)沒(méi)有特別的針對(duì)性，是原則上的要求。

2.1 失超的安全性

2.1.1 失超的簡(jiǎn)單過(guò)程

所謂失超（quench），就是超導(dǎo)體因某種原因突然失去超導(dǎo)特性而進(jìn)入正常態(tài)的過(guò)程。這是一個(gè)將電磁能量轉(zhuǎn)換為熱能的過(guò)程.失超永遠(yuǎn)是超導(dǎo)磁體的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題.

超導(dǎo)磁體是在極高的電流密度下工作的，又處于超低溫環(huán)境，穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到各種擾動(dòng)，包括機(jī)械擾動(dòng)、超導(dǎo)線內(nèi)的磁通跳躍、電流引線和儀器測(cè)控引線等引起的熱擾動(dòng)。當(dāng)超導(dǎo)線圈受到這些繞動(dòng)后，磁體內(nèi)部這些受到擾動(dòng)的超導(dǎo)線材會(huì)失去超導(dǎo)電性，也就是說(shuō)使原本處于超導(dǎo)狀態(tài)的這些超導(dǎo)線材有了電阻。該局部電阻的出現(xiàn)，又會(huì)使磁體內(nèi)超導(dǎo)線圈的電流下降、產(chǎn)熱增多，從而形成正反饋?？梢?jiàn)失超的發(fā)生是一個(gè)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，逆轉(zhuǎn)困難。失超可破壞線圈的絕緣，又可熔化超導(dǎo)體，嚴(yán)重時(shí)將破壞整個(gè)磁共振成像系統(tǒng)和患者環(huán)境，造成嚴(yán)重危害。如果失超所產(chǎn)生的熱能在整個(gè)磁體內(nèi)均勻分布，并且合理的加以控制，則它造成的危害并不是很大。但是，一旦失超發(fā)生，并局限于局部，則會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果。

2.1.2 降低非預(yù)期失超概率的措施

為了增加超導(dǎo)線圈抵抗熱擾動(dòng)的能力，磁體設(shè)計(jì)中一般采用附加的穩(wěn)定方式，來(lái)增加超導(dǎo)磁體的可靠性。

總體上超導(dǎo)磁體有全穩(wěn)定和絕熱穩(wěn)定兩種[1]，兩種方式的主要區(qū)別在于超導(dǎo)線材中銅基體的組份的不同。超導(dǎo)線材的種類很多，醫(yī)療磁共振成像設(shè)備中常用的是基于鈮（Nb）鈦（Ti）的二元或三元復(fù)合合金組成（也有Nb3Sn，NbZr等合金，但不常見(jiàn)），將NbTi嵌在銅基體上。

全穩(wěn)定方式常用于貯能在(l08～109)J以上的工業(yè)電力儲(chǔ)能磁體，其超導(dǎo)線材中的銅基體組分較高。在超導(dǎo)線材中加入足夠數(shù)量的銅或鋁等穩(wěn)定材料，超導(dǎo)狀態(tài)時(shí)電流在鈮鈦合金內(nèi)流動(dòng)，超導(dǎo)體失超時(shí)鈮鈦合金的電阻和銅的電阻接近，銅組份起電流旁路作用，同時(shí)也起散熱作用。這樣電流不會(huì)使超導(dǎo)線材大幅升溫，超導(dǎo)線材逐漸降溫，最終重新回到超導(dǎo)態(tài)。即使局部導(dǎo)體失超，失超區(qū)也只會(huì)縮小，不能傳開(kāi)。這種磁體非常穩(wěn)定，但造價(jià)卻很高。醫(yī)療的磁共振成像設(shè)備中采用較為廉價(jià)的絕熱穩(wěn)定式。這種磁體超導(dǎo)線材中的銅組份比上述磁體要少，因而它只能承受小的擾動(dòng)，其穩(wěn)定性能要差些，失超的可能性大。

2.1.3 失超的利與弊

超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)中的磁體的失超大多發(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，這些匝線可能發(fā)生突然移動(dòng)。當(dāng)勵(lì)磁過(guò)程中線圈整體受到的徑向或軸向擠壓力，在大到足以導(dǎo)致線圈開(kāi)裂時(shí)，變形能的釋放將轉(zhuǎn)化為熱能而引發(fā)失超，所以勵(lì)磁時(shí)電流要緩慢增加。

實(shí)際上勵(lì)磁過(guò)程是磁共振安裝過(guò)程的一部分，而且往往是在醫(yī)院里完成的。在本文后面的論述中我們知道，一臺(tái)1.5 T超導(dǎo)型磁共振成像系統(tǒng)失超時(shí)，最大可能在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大約900 m3的低溫氦氣，這些氦氣如不及時(shí)排除（例如磁共振系統(tǒng)因?yàn)槲赐耆惭b好導(dǎo)致失超管路未能完全就位達(dá)標(biāo)，或者失超管路阻塞），會(huì)沖入醫(yī)院其他病區(qū)，給眾多醫(yī)生病人帶來(lái)不必要的風(fēng)險(xiǎn)。

超導(dǎo)線圈是浸泡在液氦中工作的。如果磁體低溫容器中的液氦液面降到一定限度仍未按規(guī)定補(bǔ)充，也會(huì)發(fā)生失超。所以，液氦液面降低的自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，勵(lì)磁電流的控制應(yīng)該是超導(dǎo)磁體監(jiān)控的一部分，同時(shí)也應(yīng)該成為認(rèn)證和檢測(cè)中的一個(gè)方面。

需要指出的是，失超不是只有危害，失超也是磁共振系統(tǒng)的一種重要功能。每一個(gè)超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)都備有一個(gè)可以隨時(shí)啟動(dòng)的失超開(kāi)關(guān)，用于操作者在緊急情況下快速關(guān)閉超導(dǎo)磁共振的強(qiáng)磁場(chǎng)，解救患者脫離強(qiáng)磁場(chǎng)。失超是最有效的關(guān)閉磁場(chǎng)的方法，一般發(fā)生失超后，磁場(chǎng)在20 s內(nèi)就將降低為0 T，而一般的電流引出法的降低磁場(chǎng)的操作需要幾個(gè)小時(shí)。所以一臺(tái)超導(dǎo)磁體從生產(chǎn)出來(lái)到勵(lì)磁成功，直到正常使用往往會(huì)發(fā)生一次甚至多次失超。特別是對(duì)于我國(guó)生產(chǎn)技術(shù)還在提升過(guò)程中，磁共振成像系統(tǒng)的失超不是一個(gè)小概率事件。

所以我們并不是懼怕失超，我們應(yīng)該采取措施使得失超的發(fā)生不會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的后果，即使失超發(fā)生，整個(gè)系統(tǒng)也應(yīng)都處在完全可控的狀態(tài)。這就需要進(jìn)行本文下述一些內(nèi)容的討論。

3 壓力容器安全

超導(dǎo)磁體在正常工作時(shí)，內(nèi)部壓力不大，整個(gè)超導(dǎo)磁體更像一個(gè)低溫容器而不是一個(gè)壓力容器。一般而言，超導(dǎo)磁體都會(huì)裝備有一個(gè)小于1psi（1psi約為6.9 kPa）的單向閥，用以確保液氦正常揮發(fā)，維持磁體內(nèi)的正常工作壓力。由此可見(jiàn)，正常工作的磁體內(nèi)部雖然是低溫容器，但壓力不大。但是，一旦磁體失超，超導(dǎo)線圈內(nèi)部的儲(chǔ)能將足以蒸發(fā)所有的液氦，這時(shí)磁體內(nèi)部壓強(qiáng)大增。

我們可以合理而簡(jiǎn)單的將超導(dǎo)磁體簡(jiǎn)化為一個(gè)大的螺線管，其存貯的能量可以利用如下一些公式加以簡(jiǎn)單的定量計(jì)算。

其中E是存儲(chǔ)在磁體中的能量，L是磁體的電感，I是磁體內(nèi)的超導(dǎo)電流。

其中n是單位長(zhǎng)度磁體線圈的超導(dǎo)線匝數(shù)，V是磁體線圈內(nèi)的體積，μ是磁導(dǎo)力。

其中B是磁場(chǎng)強(qiáng)度。

一般而言，一個(gè)典型的1.5 T的超導(dǎo)磁體的電感值為20 H，電流值為600 A。這樣我們可以估計(jì)出一個(gè)1.5 T的超導(dǎo)磁體儲(chǔ)存的能量：E=3.6×106J。當(dāng)然不同的廠家的磁體的近似電感值不一樣，但是儲(chǔ)能都是在 MJ量級(jí)。

而液氦的蒸發(fā)潛熱僅僅為e = 2.177×104J/kg，密度ρ=0.124 kg/L。這樣利用(1)式的結(jié)果，一個(gè)1.5 T的磁體所儲(chǔ)存的能量可以蒸發(fā)的液氦為：

可見(jiàn)失超時(shí)，線圈的能量迅速泄放所產(chǎn)生的熱量，足以使磁體內(nèi)的數(shù)千升液氦在數(shù)分鐘內(nèi)劇烈蒸發(fā)，一般1 L液氦膨脹到室溫下的氦氣可以擴(kuò)大到700升。可見(jiàn)最終的氦氣可以達(dá)到驚人的900 m3（即：1333 L×700=933100 L）作為比較，水的汽化潛熱高達(dá)2257000 J/kg，不難計(jì)算出上述磁體的儲(chǔ)能只能氣化1.6 kg的水，也就只有一個(gè)中等可樂(lè)瓶的大小。所以氦氣某種程度上是容易爆炸的，國(guó)際上也有超導(dǎo)磁體爆炸的報(bào)道。

由于失超是超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)可能發(fā)生的一種狀態(tài)，也是允許醫(yī)生通過(guò)啟動(dòng)失超開(kāi)關(guān)來(lái)達(dá)到一定的緊急避險(xiǎn)功能，所以失超狀態(tài)應(yīng)該被看成是超導(dǎo)磁體的另一種正常功能的狀態(tài)。按照GB9706.1-2007中45章的要求，超導(dǎo)磁體應(yīng)該進(jìn)行壓力試驗(yàn)（水壓或者氣壓試驗(yàn)），其基準(zhǔn)壓強(qiáng)的選取應(yīng)參考失超時(shí)可能出現(xiàn)的最大壓強(qiáng)。一般而言，超導(dǎo)磁體安裝有4 psi～26 psi的多個(gè)爆破片，所以最大的爆破壓強(qiáng)可以作為一個(gè)最低的基準(zhǔn)壓力來(lái)進(jìn)行壓力容器檢驗(yàn)，確保在失超時(shí)超導(dǎo)磁體本身不會(huì)破裂。

4 機(jī)械應(yīng)力安全

超導(dǎo)磁體線圈本身是一種相對(duì)粗短的線圈，在繞組內(nèi)的磁場(chǎng)不僅有軸向分量，而且有徑向分量。軸向磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力要使線圈向外膨脹，導(dǎo)線材料應(yīng)該具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，它的極限強(qiáng)度必須高于線圈繞組內(nèi)的最大周向應(yīng)力。通過(guò)簡(jiǎn)單的假設(shè)，我們可以采用載流圓導(dǎo)線在磁場(chǎng)中的張力公式來(lái)估計(jì)超導(dǎo)線材自身張力的大?。?/p>

T=RIB≈450 N，其中電流I 估計(jì)為600 A，磁感應(yīng)強(qiáng)度B一般為1.5 T，半徑R一般估計(jì)為0.5 m。但是需要指出的是：一般超導(dǎo)線材的截面積只有不到8 mm2。在如此小的截面積上，在低溫下要保證持續(xù)450 N的應(yīng)力。這也是需要認(rèn)證的重點(diǎn)之一，建議機(jī)械應(yīng)力的安全系數(shù)至少達(dá)到GB9706.1-2007 中第28章中的要求。

超導(dǎo)線圈往往由多個(gè)亥姆赫茲線圈組成，每一個(gè)線圈是由幾百匝超導(dǎo)線材繞制而成，在磁場(chǎng)作用下，整個(gè)線圈由兩端向中間擠壓，在線圈各個(gè)部分內(nèi)產(chǎn)生軸向壓縮應(yīng)力。利用電動(dòng)力學(xué)，可以推導(dǎo)出載流圓電流在磁場(chǎng)中的力為[2]：

5 電氣安全

超導(dǎo)磁體的失超會(huì)導(dǎo)致磁體內(nèi)部出現(xiàn)高壓危害。失超后超導(dǎo)磁體內(nèi)部產(chǎn)生電阻，超導(dǎo)磁體的運(yùn)行電流一般處在600 A甚至更高，利用歐姆定律可以很容易知道在磁體內(nèi)正常電阻區(qū)可能會(huì)產(chǎn)生幾百甚至幾千伏的電壓，這樣的電壓可能會(huì)在磁體內(nèi)部產(chǎn)生電弧而破壞絕緣。具體而言這些過(guò)電壓分為以下幾種。

(1)最大內(nèi)電壓 失超過(guò)程中超導(dǎo)磁體內(nèi)部任意兩點(diǎn)之間的最大電壓差，有些研究者也稱最大內(nèi)電壓為對(duì)地電壓。該電壓對(duì)應(yīng)于磁體工程設(shè)計(jì)中線圈與骨架之間的絕緣。

(2)層間電壓 失超過(guò)程中磁體內(nèi)部任意相鄰兩層之間的最大電壓差。該電壓對(duì)應(yīng)于磁體工程設(shè)計(jì)中的層間絕緣。

(3)匝間電壓 失超過(guò)程中磁體內(nèi)部任意相鄰兩匝之間的最大電壓差。該電壓對(duì)應(yīng)于磁體工程設(shè)計(jì)中的匝間絕緣。

超導(dǎo)磁體對(duì)上述的這些電壓的耐受力是需要在型式試驗(yàn)中加以驗(yàn)證的，文獻(xiàn)[3]提出了耦合磁體失超保護(hù)系統(tǒng)的基本要求，并且指出耦合磁體的失超保護(hù)系統(tǒng)要保證失超起始點(diǎn)溫升不高于 350 K，線圈最大內(nèi)電壓低于 1500 V，線圈層間電壓低于 500 V。這些電壓的最高預(yù)期值應(yīng)該成為超導(dǎo)磁體的基本安全性能，參考GB9706.1-2007中關(guān)于隔離的要求，測(cè)試時(shí)應(yīng)以此為基準(zhǔn)電壓檢驗(yàn)磁體的電介質(zhì)強(qiáng)度、爬電距離和電氣間隙。

6 超導(dǎo)磁體中的安全失超保護(hù)技術(shù)

利用電子線路的巧妙設(shè)計(jì)，可以盡量將失超時(shí)的能量快速地均分，避免在局部釋放過(guò)多能量，這樣可以有利于保護(hù)磁體，降低風(fēng)險(xiǎn)和危害。一般來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在常用的電子電路技術(shù)有主動(dòng)防御型和被動(dòng)防御型兩大類，這些電子電路的技術(shù)是超導(dǎo)磁體的關(guān)鍵安全措施。

6.1 電子電路技術(shù)保護(hù)原理

6.1.1 外接取能電阻保護(hù)是一種最簡(jiǎn)單的失超保護(hù)方式，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。線圈勵(lì)磁和正常運(yùn)行時(shí)，S1n到Snn打開(kāi)，電流不流經(jīng)取能電阻。當(dāng)檢測(cè)到失超發(fā)生時(shí)，S1n到Snn閉合，電流流經(jīng)取能電阻，部分磁體儲(chǔ)能將釋放在該電阻上。這種方式是一種主動(dòng)防御型方式，有效性依賴于失超探測(cè)的靈敏度和開(kāi)關(guān)開(kāi)合的速度。

圖2 失超保護(hù)電路（取能電阻法）簡(jiǎn)圖Fig.2 Protective circuit of quench (energy release method)

6.1.2 次級(jí)耦合線圈失超保護(hù)結(jié)構(gòu)如圖3所示。磁體I2失超后電流降低便會(huì)在次級(jí)耦合線圈I1產(chǎn)生感應(yīng)電流，因而R1能吸收超導(dǎo)磁體的一部分儲(chǔ)能，從而降低超導(dǎo)磁體內(nèi)部的最高溫升和內(nèi)部過(guò)電壓。特別是次級(jí)耦合線圈由于感應(yīng)電流的產(chǎn)生而溫度上升，當(dāng)次級(jí)耦合線圈與超導(dǎo)磁體的線圈繞組有良好的熱接觸時(shí)候，可能會(huì)引起與其相鄰的附近線圈未失超部分失超，從而加速超導(dǎo)磁體內(nèi)的失超傳播，進(jìn)一步保護(hù)磁體。由于這種方式不依賴于電子開(kāi)關(guān)，所以是一種簡(jiǎn)單的被動(dòng)防御型方式。

圖3 失超保護(hù)電路（次級(jí)耦合法）簡(jiǎn)圖Fig3 Protective circuit of quench (secondary side coupling method)

6.1.3 將上述方法加以改進(jìn)，可以得到線圈分段保護(hù)結(jié)構(gòu)電路，如圖4所示。失超后分段保護(hù)為失超磁體電流提供了另外一條支路，失超時(shí)產(chǎn)生的電勢(shì)差分流了磁體的電流，從而降低了磁體溫度，保護(hù)了超導(dǎo)磁體。當(dāng)線圈某一段失超時(shí)，并聯(lián)在這一段的外部電阻會(huì)使線圈此段電流迅速降低，同時(shí)產(chǎn)生的電流用來(lái)加熱其他線圈，引起其他段線圈失超，從而加速了整個(gè)線圈內(nèi)失超傳播過(guò)程，保護(hù)了超導(dǎo)線圈。這些電阻也可以引發(fā)分段線圈內(nèi)新的失超區(qū)，加快線圈內(nèi)失超傳播，保護(hù)超導(dǎo)磁體。

圖4 失超保護(hù)電路（分段保護(hù)法）簡(jiǎn)圖Fig.4 Protective circuit of quench (subsection protection method)

7 市場(chǎng)準(zhǔn)入前的型式檢驗(yàn)的相關(guān)建議

上述的一些典型的磁體保護(hù)電路還需要在應(yīng)用中考慮如下一些關(guān)鍵點(diǎn)：

(1)選取合適的移能電阻 如果使用了該種電阻，那么應(yīng)該作為安全關(guān)鍵件在檢驗(yàn)中記錄相關(guān)信息。

(2)保證信號(hào)線連接和失超保護(hù)電路的可靠性，包括長(zhǎng)時(shí)間的低溫下工作，應(yīng)選取有相關(guān)認(rèn)證的元器件，并且保護(hù)電路應(yīng)該加以實(shí)驗(yàn)。

(3)電子重迭保護(hù)，做到每個(gè)線圈有兩路以上保護(hù)信號(hào)（利用失超傳播的特性，保護(hù)系統(tǒng)相鄰線圈之間還可以互相監(jiān)視）。這些信息應(yīng)該作為重要的安全資料加以保留或提交。

(4)備份保護(hù)方案，比如利用冷卻流體壓力作失超信號(hào)，這樣可以在電子技術(shù)不足以保證安全的情況下，還能利用熱力學(xué)技術(shù)加以保護(hù)。這些信息應(yīng)該作為重要的安全資料加以保留或提交。

(5)突然停電，或者電池電力不足導(dǎo)致的超導(dǎo)保護(hù)電路失效，甚至導(dǎo)致緊急情況下的失超啟動(dòng)開(kāi)關(guān)都不能工作。建議在說(shuō)明書(shū)等重要文件中向磁共振成像系統(tǒng)的用戶提示這種風(fēng)險(xiǎn)的存在。

(6)超導(dǎo)開(kāi)關(guān)的錯(cuò)誤啟動(dòng)引起的非正常失超，應(yīng)該在技術(shù)上設(shè)法防止這種情況的發(fā)生。建議在型式檢驗(yàn)時(shí)，按照單一故障的標(biāo)準(zhǔn)原則加以適當(dāng)?shù)目紤]。

8 失超排氣管道的安全措施

超導(dǎo)磁體的失超排氣管道的暢通和足夠的排氣量，是磁體失超時(shí)和失超后的安全保證，特別是保證磁體在失超后仍然完好，并通過(guò)再次補(bǔ)充液氦和勵(lì)磁后恢復(fù)使用具有極端重要的作用。所以，認(rèn)證時(shí)，應(yīng)該重點(diǎn)對(duì)如下一些關(guān)鍵點(diǎn)加以記錄，并考慮備案：

(1)失超排氣管道的尺寸，管道長(zhǎng)度一般應(yīng)≤20 m，不得多于2個(gè)彎頭[4]。

(2)當(dāng)管道(如果有回收系統(tǒng)，也應(yīng)包括回氣管)穿過(guò)RF射頻室時(shí)，不能形成天線，應(yīng)該注意互相絕緣。

(3)應(yīng)該采用合理的風(fēng)帽結(jié)構(gòu)，防止異物或沉積物的產(chǎn)生。

(4)應(yīng)安裝失超排氣管道的自動(dòng)定時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)，可以通過(guò)模擬送氣并測(cè)量氣壓或流量的方式,定期測(cè)量失超排氣管道的排氣能力。

(5)管道使用的單向閥和爆破片應(yīng)該有相應(yīng)的認(rèn)證。

9 氦氣的利用與回收

9.1 氦氣應(yīng)用的廣泛性與稀缺性

氦是無(wú)色、無(wú)味的氣體，是最難液化的氣體，也是世界上最后一個(gè)被液化的氣體。其熔點(diǎn)為-272.2oC，沸點(diǎn)為-268.9oC，屬于稀有氣體，它在地球上的含量只有一億分之一。氦在大氣中的含量也極少，大約只有百萬(wàn)分之五。氦氣在有些地區(qū)的天然氣中含量卻較高，個(gè)別甚至高達(dá)2%以上.因此目前全世界生產(chǎn)的氦氣絕大多數(shù)都是從天然氣中提取的。氦氣是一種惰性氣體，不易與別的化學(xué)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，因此氦氣在飛船發(fā)射、導(dǎo)彈武器工業(yè)、低溫超導(dǎo)和半導(dǎo)體生產(chǎn)等方面具有重要用途，是一種極其珍貴的稀缺資源。

中國(guó)近年來(lái)對(duì)氦氣的需求量越來(lái)越大。但是受制于氦氣資源匱乏、提取氦氣的成本較高（我國(guó)天然氣中的氦氣含量只有0.2%），現(xiàn)在我國(guó)MRI中使用的氦氣基本依靠進(jìn)口。每升液氦的價(jià)格大約為200元，一臺(tái)超導(dǎo)磁共振磁體中有大約1000升液氦，總價(jià)超過(guò)20萬(wàn)元。

相比之下，美國(guó)的氦氣資源十分豐富.地球上80%以上的氦資源分布于美國(guó)，美國(guó)的天然氣中氦氣的含量高達(dá)7.5%。早在1963年，為了不讓作為燃料使用的天然氣中的氦氣浪費(fèi)掉，美國(guó)政府就推行了一項(xiàng)氦氣保存計(jì)劃.經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)和保存，美國(guó)成為世界最大的氦氣擁有國(guó)。世界最大的氦氣生產(chǎn)商是美國(guó)國(guó)家氦氣儲(chǔ)備公司。

9.2 失超產(chǎn)生的氦氣應(yīng)該回收

超導(dǎo)磁共振成像系統(tǒng)中的氦氣是高純度（99.9%以上）的氦氣，價(jià)格十分昂貴，液氦價(jià)格昂貴是超導(dǎo)磁共振系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用高的主要原因。所以現(xiàn)在世界上對(duì)于氦氣普遍采用了回收的方式加以利用?；厥辗绞胶?jiǎn)單地說(shuō)就是將揮發(fā)的氦氣收集起來(lái)重新加壓冷卻成液氦。氦氣回收是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，包含收集管路、儲(chǔ)氣裝置和液化裝置等。

雖然回收系統(tǒng)復(fù)雜，但我們認(rèn)為隨著氦氣資源的減少，回收系統(tǒng)不應(yīng)該僅僅存在于超導(dǎo)磁體制造商的工廠里。一些大型醫(yī)院里的超導(dǎo)磁共振成像設(shè)備很多，而且隨著時(shí)間的推移，設(shè)備的老化，氦氣蒸發(fā)量也會(huì)加大，磁共振設(shè)備的氦氣會(huì)多次填充，失超也會(huì)發(fā)生，所以建議大型的醫(yī)院也可以安裝統(tǒng)一的氦氣回收系統(tǒng)。

10 總結(jié)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民對(duì)于高端醫(yī)療裝備的需求大幅增長(zhǎng)，且隨著超導(dǎo)技術(shù)的日臻完善，我們正在迎來(lái)超導(dǎo)磁共振成像設(shè)備全面普及使用的時(shí)代。現(xiàn)在全國(guó)的磁共振系統(tǒng)生產(chǎn)商都已經(jīng)紛紛轉(zhuǎn)向超導(dǎo)產(chǎn)品，在不久的將來(lái)，超導(dǎo)型磁共振系統(tǒng)不再是國(guó)外醫(yī)療巨頭的專利產(chǎn)品，我國(guó)自主研發(fā)的超導(dǎo)型磁共振系統(tǒng)也將大量投放市場(chǎng)。但是，如果沒(méi)有針對(duì)超導(dǎo)型磁共振系統(tǒng)的特點(diǎn)和超導(dǎo)磁體的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，制定出專門(mén)的標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)，將不利于規(guī)范超導(dǎo)磁體的生產(chǎn)。雖然，一般而言超導(dǎo)磁體是安全，但是一旦磁體失超，風(fēng)險(xiǎn)和危害都是巨大的。本文立足于現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)體系，考慮到失超，分別從壓力容器安全，機(jī)械應(yīng)力安全和電氣安全幾個(gè)方面考察，討論了超導(dǎo)磁體的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，同時(shí)也從安全失超保護(hù)電路的角度討論了對(duì)磁體的保護(hù)措施和單一故障下的風(fēng)險(xiǎn)考察點(diǎn)。最后還提出了一直被忽視的失超排氣管路的安全檢查措施的建議。

[1]趙喜平.磁共振成像[M].科學(xué)出版社,2004

[2]YY0319-2008: 醫(yī)用電氣設(shè)備 第2部分: 醫(yī)療診斷用磁共振設(shè)備安全專用要求[S].附錄BB

[3]M.A.Green,H.Witte.Quench Protection and Power Supply Requirements for the MICE Focusing and Coupling Magnets[R].MICE Note 114,2005,May.

[4]吳遠(yuǎn)寬.MRI設(shè)備氦氣放空管道和回收系統(tǒng)的研制[J].低溫工程,1995,(1): 17-22.