【作 者】余慧嫻

杭州美諾瓦醫(yī)療科技股份有限公司，杭州市，310053

0 引言

二十世紀八十年代初，醫(yī)用MRI由于需要較高的磁場強度，裝備了低溫超導磁體。

低溫超導磁體的技術特點為：①使用鈮鈦（NbTi）超導線（臨界溫度5 K）；②用液氦浸泡超導線制冷(常壓下4.2 K)，外包液氮冷屏（常壓下77 K）；③高真空多層絕熱，以減少液氮、液氦的日蒸發(fā)量。

經(jīng)過近四十年的發(fā)展，醫(yī)用MRI已普及到全球各大醫(yī)院，成為不可缺少的醫(yī)療診斷設備，為此，液氦的消耗量急驟增加，成為全球氦消耗的主要行業(yè)，同時也是運行成本居高不下的主要因素。

在這三十多年中，醫(yī)用MRI超導磁體在技術上不斷地進行改進，下面將列舉各技術特點的改進要點：

（1）近年來，超導材料在科技上有很大的進展，臨界溫度有的已經(jīng)達到液氮溫度。但遺憾的是，尚無一種材料能替代鈮鈦超導線制作成像區(qū)1.5 T以上的醫(yī)用MRI超導磁體主線圈（數(shù)據(jù)均以1.5 T磁體為例）。

用于醫(yī)用MRI超導磁體主線圈的超導線必須滿足下列要求：

在臨界溫度下，運行電流400～700 A ，峰值磁場強度大于6 T，繞制彎曲半徑0.5 in，具有一定的抗拉強度，便于制作超導接頭及超導開關，還需要考慮經(jīng)濟因素（一個醫(yī)用1.5 T MRI超導磁體主線圈需60 000米以上的超導線）等等。目前僅鈮鈦超導線尚能符合上述綜合因素。

（2）醫(yī)用MRI超導磁體制冷系統(tǒng)技術進展最大，由早期液氮+液氦制冷進展為液氦+氦制冷機制冷，隨著氦制冷機性能進一步提高，液氦蒸發(fā)量越來越少，氦制冷機制冷的功率越來越大。當氦制冷機的制冷功率大于磁體漏熱總功率，二級冷頭制冷溫度達到4.2 K時，液氦可達到“零”消耗。這就使得設計制造“無氦超導磁體”成為可行。

1 無氦磁體的主要設計要點（以醫(yī)用1.5T超導磁體為例）

1.1 總體結構

1.1.1 液氦磁體總體結構（圖1）

內(nèi)、外主線圈構成主線圈組合，浸在液氦筒內(nèi)的液氦中，液氦筒內(nèi)為常壓狀態(tài)，有頸管結構直通磁體外，頸管中裝有可拔式充電插頭，氦氣排氣管道，失超時快速排放氦氣的帶爆裂膜結構的排氣管道（直通室外）。有磁體內(nèi)各參數(shù)測量傳感器及其引線及插座，預冷液氮及液氦加注管口及管道等等。

頸管結構復雜，漏熱大，給制冷機增加不少的熱負荷。液氦筒外表溫度為4.2 K。液氦筒外為高真空多層絕熱層，液氦筒和高真空多層絕熱層用支撐桿懸掛在第二冷屏上。第二冷屏連接氦制冷機冷頭的二級冷頭，第二冷屏溫度為20 K左右。

圖1 液氦磁體剖面示意圖Fig.1 Sectional drawing of LHe magnet

第二冷屏外為高真空多層絕熱層，高真空多層絕熱層連同液氦筒、第二冷屏，用支撐桿懸掛在第一冷屏上。第一冷屏連接氦制冷機冷頭的一級冷頭，第一冷屏溫度為50 K左右[1]。

第一冷屏外為高真空多層絕熱層，高真空多層絕熱層連同液氦筒、第二冷屏、第一冷屏，用支撐桿懸掛在最外面的真空筒上。真空筒溫度為300 K左右（即環(huán)境溫度）。

1.1.2 無氦磁體總體結構（圖2）

圖2 無氦磁體剖面示意圖Fig.2 Sectional drawing of Helium-free magnet

內(nèi)、外主線圈構成主線圈組合，與冷頭二級相連接，溫度為4.2 K左右。

主線圈組合外為高真空多層絕熱層，用支撐桿懸掛在冷屏上。冷屏連接氦制冷機冷頭的一級，冷屏溫度為50 K[2]。

冷屏外為高真空多層絕熱層，連同主線圈組合，高真空多層用支撐桿懸掛在最外面的真空筒上。真空筒溫度為300 K左右（即環(huán)境溫度）。

主線圈組合與冷屏均處于高真空中，這是液氦磁體與無氦磁體結構上的最大不同處。

1.2 無氦磁體關鍵部件及設計要點

1.2.1 制冷機的選擇及冷頭的安裝結構的設計要點

無氦磁體的超導線圈組合能長年保持在4.2 K的臨界溫度下，是由氦制冷機組不間斷連續(xù)工作將進入磁體的漏熱交換出磁體才能保持的，氦制冷機組的制冷量必須超過磁體總漏熱，能在4.2 K以下有足夠的制冷功率，并具有充分的富裕量[3]。

目前使用的制冷機組主要是GM制冷機和脈管制冷機兩種，其中冷頭均具有兩級（一級約35～50 K，40 W左右，二級4.2 K以下，1.0～1.5 W）。GM制冷機使用歷史較早，現(xiàn)有商品1.5 T以上醫(yī)用MRI磁體上基本上都采用它，很少使用脈管制冷機。GM制冷機振動及噪聲較大，但技術成熟，性能可靠。脈管制冷機則噪聲很小，但不夠成熟。兩者各有所長，按可變更接口設計。遺憾的是國產(chǎn)的商品化的氦制冷機組供應尚未形成，幾乎全依賴進口。

無氦磁體上可安裝單冷頭，也可安裝雙冷頭，例如：安裝一臺SRDK-415D制冷機（一級冷頭50 K，35 W，二級冷頭 4.2 K，1.5 W）。 安裝兩臺SRDK-408D2制冷機（每臺一級冷頭43 K，40 W，二級冷頭4.2 K，1.0 W，兩臺則為一級冷頭43 K，80 W，二級冷頭 4.2 K，2.0 W）。安裝兩臺氦制冷機組，確保足夠的制冷量，有利于冷頭的更換及維修，有利于改善主線圈組件的熱梯度。

氦制冷機組由安裝在磁體上的冷頭、氦壓縮機及水冷（或空冷）機組等三部分組合而成。冷頭一般運行壽命為20 000 h（約2 年左右）而磁體壽命可達10 年以上，為使更換或維修冷頭時，磁體大真空不至于被破壞，主線圈組件能在更換或維修冷頭時維持4.2 K溫度而不會失超，需在磁體上安裝冷頭夾套。夾套裝有相對應的一、二級和冷頭一、二級相接觸的接觸板，它們的接觸效率是否良好將嚴重影響冷頭的制冷效果，夾套外的一、二級上將安裝低溫溫度傳感器，以監(jiān)測冷頭安裝的正確與否及長期運轉(zhuǎn)冷頭效率的變化。

冷頭安裝后，夾套內(nèi)再抽真空，形成小真空。

1.2.2 無氦磁體主線圈組合的結構特點

主線圈由NbTi超導線繞制而成，液氦磁體主線圈與無氦磁體主線圈的設計差別不大，線圈由內(nèi)、外兩筒組成。

無氦磁體與液氦磁體主線圈組合的冷卻方式不同。液氦磁體主線圈組合裝在液氦筒內(nèi)，下部浸在液氦（4.2 K）中，上半部處于4.2 K溫度的氦蒸汽中，超導線冷卻良好，制冷機只是以減少液氦蒸發(fā)為目的。無氦磁體主線圈組合懸掛在鋁制冷屏上，處于高真空中，不設液氦筒，組件直接連接冷頭夾套的二級（4.2 K），線圈骨架以固體傳導方式冷卻超導線圈。線圈骨架一般用低溫環(huán)氧玻纖、不銹鋼或合金鋁加工而成，超導線繞制其上形成線圈組。

液氦磁體主線圈組件上安裝有超導接頭，超導開關和失超保護裝置，無氦磁體主線圈組件同樣需安裝超導接頭，超導開關和失超保護裝置。

無氦磁體主線圈組合的超導接頭和超導開關結構與液氦磁體主線圈組合的結構基本相同，但連接及安裝位置有區(qū)別，因液氦磁體主線圈組合上安裝的超導接頭，超導開關和失超保護裝置均安裝在組合的底部，始終浸泡在液氦中，冷卻條件極好，無氦磁體中無液氦，這些部件的冷卻需要靠固體傳導來冷卻。

對無氦磁體主線圈失超保護裝置需設計新的結構，這是無氦磁體需要攻克的關鍵之一。

液氦磁體失超保護的原理之一是：超導線在超導狀態(tài)下電阻接近于“零”，一旦發(fā)生失超時，超導線的電阻會大大高于鋁、銅等導體，在超導線圈環(huán)路上并聯(lián)由常導金屬制造的環(huán)路。失超時，線圈中的電流流入電阻小的常導環(huán)路，使環(huán)路導體吸收能量使其溫度升高，周圍的液氦猛烈汽化吸收能量，通過應急管道排出室外。1.5 T磁體一次失超將損耗700 立升以上的液氦。如果失超保護裝置正常運行，添加液氦后，可重新充磁[4]。

無氦磁體失超保護的原理之一是：在超導線圈環(huán)路上并聯(lián)由常導金屬的環(huán)路，該環(huán)路利用線圈骨架代替環(huán)路導體，失超時將線圈中的電流引入電阻小的線圈骨架常導環(huán)路，使線圈骨架導體溫度升高，線圈骨架導體必須滿足三個條件，一是線圈骨架導體有足夠高的熱導率，使熱量迅速傳播整個線圈骨架導體，有利于散熱。二是線圈骨架導體環(huán)路導體有足夠大的熱容量，在完全吸收主線圈能量后，線圈骨架導體任何部位升溫后溫度不超過30～40 度（升溫幅度在300 度左右），確保磁體內(nèi)材料、結構、傳感器不損壞，以便再次充磁。三是線圈骨架常導環(huán)路導體有較大的電阻率，有較小的總電阻，升溫后電阻仍遠遠低于超導線圈失超后的電阻。因此，線圈常導環(huán)路導體材質(zhì)應選擇無磁不銹鋼。

超導線圈骨架的材料可選擇低溫環(huán)氧玻纖、鋁合金或不銹鋼。鋁合金或不銹鋼骨架加工方便，強度較高，材質(zhì)均勻，能較好地保證超導線圈的尺寸精度，有利于勻場，但由于現(xiàn)代MRI的高梯度場快速切換，會在金屬骨架中產(chǎn)生蝸流，出現(xiàn)不應有的附加磁場而影響圖像質(zhì)量。

對無氦磁體超導線圈骨架的材料不僅需考慮支撐超導線圈，同時需兼顧傳導冷量及失超保護裝置的安排。無氦磁體超導線圈骨架可考慮選用低溫環(huán)氧玻纖作為基材，將不銹鋼失超保護環(huán)路和銅質(zhì)導熱棒組合加工形成復合材料線圈骨架。這樣可能會增加設計及加工的復雜程度。

無氦磁體超導線圈組件中的超導線圈是否需要用低溫環(huán)氧樹脂固化，低溫環(huán)氧樹脂中是否需要添加改善導熱性的材料，需經(jīng)模擬試驗來確定。

1.2.3 充電插頭結構設計要點

充電是超導磁體制造過程中最重要的一個環(huán)節(jié)，順利地完成充電（也即充磁）才能認為超導磁體制造成功，因此，在設計時及制造過程中均應排除所有可能引起失超的因素。

滿充電壓一般為直流12 V左右，滿充電流為直流400～700 A范圍之內(nèi)。充電從0 V開始，逐漸升高，電流逐漸平穩(wěn)升高，直至成像球區(qū)域磁場強度達到設計要求的場強（例如1.5 T）。此時電流從0 A升至設計的滿充電流（例如500 A），隨著電流逐漸平穩(wěn)升高，從充電電源至超導線圈回路中的常導引線將逐漸升溫。熱量沿著導線、插頭，進入磁體，在液氦磁體充磁時，電流由常導導線過渡到超導線圈時，充電插頭由排出的冷氦氣冷卻，避免了熱量傳至超導線圈，避免失超的發(fā)生。無氦磁體無冷氦氣冷卻的條件，無氦磁體超導線圈組件安置于真空中，因此，充電插頭結構必須具備下列性能：

可分離的充電插頭，上部“+”“-” 極插頭安裝在一個小的不銹鋼波紋管液氮槽中，液氮槽焊接在不銹鋼真空筒上將插頭上部與磁體大真空隔離，上部“+”“-” 極插頭安裝可手動操作上下運動的結構。插頭下部“+”“-” 極插頭固定在冷屏上，并與充電引線連接，充電引線由紫銅棒，高溫超導線及主線圈引線組合焊接而成。充電時，上部“+”“-”極插頭向下運動，使充電插頭上、下部良好接觸，在不銹鋼波紋管液氮槽中加注液氮，在充電全過程中保持充電插頭上、下部處于77 K溫度。此時充電引線中的高溫超導線處于超導狀態(tài)，電流通過不產(chǎn)生熱量，充電引線貼近冷屏下行降溫至50 K，高溫超導線仍處于超導狀態(tài)，電流通過不產(chǎn)生熱量。當充電引線貼近超導線圈組件進入主線圈降溫至4.2 K左右，高溫超導線及主線圈引線均處于超導狀態(tài)，大電流通過時在充電過程中無熱量產(chǎn)生，可確保充電環(huán)節(jié)由引線發(fā)熱而發(fā)生失超的現(xiàn)象不再出現(xiàn)。

1.2.4 無氦磁體抽真空技術要點

一般要求保持1.33×10-2Pa（1×10-4mmHg）以下壓強的真空度就能滿足高真空絕熱的要求，隨時間的推移真空度會下降，超過1.33×10-2Pa（1×10-4mmHg）時，漏熱會迅速增加，因無氦磁體沒有液氦作低溫的補償，當漏熱超過制冷機組的制冷量，主線圈組件溫度則上升，一旦超導線圈環(huán)路上任何一處超過臨界溫度磁體將發(fā)生“失超”。

為此需關注以下要點：

無氦磁體抽真空前應嚴格真空檢漏。雖磁體內(nèi)已無氦，但最好仍進行氦質(zhì)譜檢漏。

抽真空時應達到較高的真空度要求，如1.33×10-4Pa（1×10-6mmHg）。

建立具有雙真空檢測規(guī)的真空報警系統(tǒng)。比如，當測得真空度為1.33×10-3Pa（1×10-5mmHg）時顯示警告信號，此時應進行補充抽真空。

無氦磁體的真空抽口應設計成便于補充抽真空的結構。

1.2.5 無氦磁體的預冷

1.5 T以上的超導磁體超導線圈組件及冷屏等附件總質(zhì)量超過5 T以上，熱容量很大。啟動制冷機系統(tǒng)前均使用廉價的液氮預冷，從300 K左右冷卻到77 K左右。

液氦磁體抽大真空后，通過頸管直接將液氮噴淋在裝有主線圈的液氦筒內(nèi)，以減少液氦冷卻時的消耗量為目的。

無氦磁體抽大真空后，預冷是以加快冷卻速度和減少制冷系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時間為目的。無氦磁體主線圈組合裝在真空筒內(nèi)，不能用液氮噴淋主線圈組合的方法來預冷，而通過將液氮灌注在冷頭夾套中，夾套的一、二級通過導冷帶預冷主超導線圈組件及冷屏。待主超導線圈組件溫度達到77 K左右停止液氮灌注，安裝冷頭，完成后，抽夾套小真空，開啟制冷系統(tǒng)，測試檢查冷頭安裝情況及制冷效果，如合格，待主線圈組件達到4.2 K時，完成磁體的冷卻操作。

1.2.6 各種引線（包括：測溫傳感器，超導開關操作等）設計要點

超導磁體有許多測溫傳感器，以監(jiān)測不同部位在預冷、制冷系統(tǒng)制冷、充磁及磁體運行過程等的溫度狀態(tài)。這些溫度傳感器需要用導線引出磁體連接到磁體外的控制器上。

超導磁體有主線圈超導開關，補償線圈超導開關等等。在充磁過程需操作超導開關中加熱電阻的上電及關電，這些開關的導線需要用導線引出磁體連接到磁體外的控制器上。

為了減少測量及操作過程的漏熱和電流在引線中產(chǎn)生的熱量，在結構設計時使用真空隔離可分離的真空插頭，并在引線上附加超導線。

1.3 無氦磁體與液氦磁體特點比較

（1）液氦磁體是低溫容器，更屬于壓力容器。磁體的真空筒或液氦筒一旦被損壞或真空突然破壞，磁體內(nèi)液氦將迅速被氣化，體積驟增700倍左右，筒內(nèi)壓力迅速加大，尤其是一旦液氦筒受損，液氦迅速吸入真空層，外殼真空筒所受壓力突然加大，甚至引起爆炸。

無氦磁體是低溫容器，磁體的外殼真空筒僅受外表向內(nèi)的壓力，一旦真空突然破壞，只會引起線圈失超磁場消失，不會造成傷害事故。

無氦磁體在安全性上優(yōu)于液氦磁體。

（2）液氦磁體失超時磁體內(nèi)液氦將迅速被氣化，沖破安裝在頸管上的爆破膜進入100 mm以上口徑的排氣管排放到室外大氣中。室內(nèi)充滿氦氣，會使人窒息。排氣管需防止外表形成液空，同時需防富氧區(qū)爆炸。一次失超1.5 T磁體將損失700 立升以上的液氦。失超后無需重新預冷可直接加注液氦，然后重新充電（充磁）。

無氦磁體失超時，磁體主超導線圈組件的線圈架將升溫300 度以上，主磁場消失，因磁體處于真空狀態(tài)，因升溫局限于主超導線圈組件，真空度可能會降低。重新充電前需檢查磁體的各種測量數(shù)據(jù)，只有各項測量數(shù)據(jù)均達到標準后方能重新充電。

（3）無氦磁體比液氦磁體減少了液氦筒、第二冷屏及它們之間的多層防輻射層，使得在相同的超導主線圈參數(shù)的情況下磁體可以減小外徑、縮短長度、擴大人孔、減輕總重量。另外無液氦大大降低生產(chǎn)成本和維護費用。

（4）無氦磁體不設頸管，各類插頭均采用真空隔離可分離的結構，因此漏熱相對于液氦磁體減少很多，有利于制冷機系統(tǒng)的選擇，冷量的富裕確保無氦磁體長時間的安全運行。

2 無氦磁體研發(fā)的必要性及可行性

（1）國內(nèi)各三甲醫(yī)院均裝有1.5 T以上的超導MRI數(shù)千臺，配置的均為液氦磁體（當前市場保有量的一半在2020年前被替換）。

我國近年來對氦的需求量越來越大，但氦是一種稀缺資源，氦氣在飛船發(fā)射、導彈武器工業(yè)、低溫超導研究、半導體生產(chǎn)等方面具有重要用途，由于受制于氦氣資源匱乏、提取氦氣的成本較高，中國在需求上一直依賴進口。未來氦氣進口的情況不容樂觀。一旦美國收緊液氦的出口，中國現(xiàn)有的許多使用氦氣和液氦的科研項目和醫(yī)療項目將出現(xiàn)斷供的困境。因此，必須盡早預防。

無氦磁體是解決醫(yī)療項目對氦氣和液氦的依賴的最有效方法。

（2）在高溫超導材料尚不能商品化應用于超導MRI的情況下。用氦制冷機使超導線圈冷卻到4.2 K，NbTi超導線圈可以實現(xiàn)超導。

制冷機制冷磁體的溫度恒定性、均勻性不如液氦磁體，對于精確成像可能不利。這是無氦磁體有待解決的最主要的問題。

液氦磁體的主超導線圈組件浸泡在液氦中，每次加注至液氦筒的80%～90%。隨著液氦的吸熱氣化液面逐漸降低，當降至30%左右時應加注液氦。主超導線圈組件的上半部分長期處于冷氦氣中，因此，主超導線圈組件上下部分也存在一定的溫差變化。其溫差變化需進行測量，以求得溫差變化的允許值。

無氦磁體的主超導線圈組件全靠氦制冷機制冷，主超導線圈組件內(nèi)存在熱梯度。隨著氦制冷機長期工作效率下降，真空筒內(nèi)真空度的下降，主超導線圈組件溫度會逐漸上升漂移。雖然制冷機冷頭為活塞往返運動制冷為間歇性的，但主超導線圈組件質(zhì)量很大（5～6 t），熱容量很大，所以溫度的漂移是緩慢而漸變的，而熱梯度幾乎是不變的。

雙冷頭有利于改善主線圈組件的熱梯度。定期監(jiān)測真空度，適時補抽真空，減少漏熱。定期監(jiān)測主線圈組件的溫度變化，冷頭采取閉環(huán)變頻控制，以恒定主線圈組件溫度。定期進行勻場修正。以上措施是否能解決無氦磁體的圖像質(zhì)量問題，仍需經(jīng)過試驗才能確定。

（3）國內(nèi)研發(fā)無氦磁體在技術上除氦制冷機組需從日本、美國進口外，已無技術問題。關鍵在于需對上述的重點技術要點進行攻關和驗證。在此基礎上研制新的1.5 T無氦超導磁體的設計需符合目前大多數(shù)醫(yī)院中使用的1.5 T MRI所安裝的的勻場機構、梯度線圈、全容積射頻線圈、梯度功放、射頻功放、譜儀等全套成像系統(tǒng)，為之配套才能進行成像試驗及磁體替代。

（4）研發(fā)無氦磁體是一個技術復雜、周期長、風險大的項目。但卻是必須進行，而且也是收益巨大的項目。

無氦磁體有上述多項新的結構需要試制和驗證。為減低研制風險，確保新研制的無氦磁體設計的結構正確性，應首先進行模擬試驗平臺。

模擬試驗平臺既作為無氦磁體新結構的模擬試驗平臺，之后可以作為生產(chǎn)用檢驗測試平臺的樣機用。

經(jīng)過模擬試驗平臺的驗證，成功有效的結構設計就可以用于新磁體的具體設計中。

3 結束語

磁體雖是MRI主要組成部件之一，完整的MRI還需要復雜的圖像部分。因氦資源短缺，國內(nèi)現(xiàn)有的幾千臺超導1.5 T和3.0 T MRI磁體因液氦問題而處于停止運行的危機。因此，當務之急是如何盡快地用無氦磁體替換現(xiàn)有的液氦磁體。無氦磁體的市場前景是很樂觀的，一方面需滿足國內(nèi)甚至全球范圍液氦磁體的替換，另一方面需滿足新增1.5 T和3.0 T MRI的需求，這會使我國MRI制造事業(yè)推向一個新的高潮。