蘇 琛，孫景工，孟洪衛(wèi)，楊 淀，譚樹林，趙秀國*

（1．軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院衛(wèi)勤保障技術(shù)研究所，天津300161；2．軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院，北京100166；3．天津華海高圣醫(yī)療科技發(fā)展有限公司，天津300384）

0 引言

自然災(zāi)害的發(fā)生會導(dǎo)致嚴(yán)重的人員傷亡。傷病員現(xiàn)場的緊急醫(yī)學(xué)救治為緊急醫(yī)學(xué)救援裝備的研發(fā)提出迫切需求。研制出能夠在自然災(zāi)害突發(fā)現(xiàn)場快速展開的應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備可以及時、有效地對現(xiàn)場傷病員進(jìn)行快速救治[1-3]?，F(xiàn)場核磁診斷技術(shù)能夠在醫(yī)學(xué)救治現(xiàn)場為傷病員進(jìn)行核磁影像診斷，為急救人員實施手術(shù)等救治方式提供科學(xué)依據(jù)。野外核磁診斷車是野外應(yīng)急醫(yī)學(xué)救治裝備的重要組成部分，該裝備的研制能夠提升我國應(yīng)急醫(yī)學(xué)救援裝備的技術(shù)水平，對核磁診斷系統(tǒng)野外條件的推廣使用有著重要的推動作用，可有效增強(qiáng)我國應(yīng)對突發(fā)自然災(zāi)害事件的整體能力。國內(nèi)天津華海高圣醫(yī)療科技發(fā)展有限公司、廣州市顯浩醫(yī)療設(shè)備股份有限公司、包頭市稀寶博為醫(yī)療系統(tǒng)有限公司、成都奧泰醫(yī)療系統(tǒng)有限責(zé)任公司與美國奧洛瑞醫(yī)療集團(tuán)以及日本[4]均開展了核磁診斷車的研究，研制了不同類型的核磁診斷車，但均采用廂式車結(jié)構(gòu)、車上作業(yè)模式，而且其機(jī)動性均有待進(jìn)一步提高，不適合野外條件下使用。針對現(xiàn)有裝備作業(yè)效率低、機(jī)動性差等問題，為滿足突發(fā)自然災(zāi)害緊急醫(yī)學(xué)救援的需求，亟須研制一種艙車分離、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的野外核磁診斷車。核磁小型化[5-6]、車載化[7]是制約野外核磁診斷車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)問題。核磁屏蔽設(shè)計能夠有效防止核磁對操作人員和外界人員的影響[8]，而核磁屏蔽車廂設(shè)計是野外核磁診斷車研制的難題。為解決制約野外核磁診斷車研制的系列難題，本文針對核磁共振成像系統(tǒng)進(jìn)行車載化、小型化研究，設(shè)計核磁屏蔽車廂，研制野外核磁診斷車，為野外現(xiàn)場對傷病員進(jìn)行核磁影像診查提供有效的技術(shù)手段，提升了野外條件下傷病員現(xiàn)場緊急醫(yī)學(xué)救治的能力。

1 野外核磁診斷車總體設(shè)計

野外核磁診斷車采用艙車分離的結(jié)構(gòu)形式，運(yùn)輸?shù)妆P采用北方奔馳底盤進(jìn)行改裝，艙體采用固定方艙結(jié)構(gòu)。方艙內(nèi)部分為操作室、診察室和設(shè)備室。前段部分主要為核磁操作室，布置有核磁操作臺、核磁操作主機(jī)、核磁系統(tǒng)隔離變壓器；中段部分為核磁診察室，主要布置核磁掃描設(shè)備主體；后段部分為設(shè)備室，并且采用大板隔斷分成上下2層結(jié)構(gòu)，上層布置方艙空調(diào)系統(tǒng)，下層布置2臺核磁控制機(jī)柜、暖風(fēng)機(jī)、水冷機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備，內(nèi)部布局如圖1所示。方艙操作室設(shè)置后門，并且操作室門與診察室屏蔽門對正，以保證在落地情況下傷病員及擔(dān)架能夠方便進(jìn)出。

圖1 野外核磁診斷車方艙布局示意圖

方艙采用8 m固定方艙的結(jié)構(gòu)。方艙外形尺寸為：8000 mm×2438 mm×2438 mm(長×寬×高)；方艙蘑菇頭安裝尺寸設(shè)計為2種：7797 mm×2260 mm(長×寬)和5855 mm×2260 mm(長×寬)。方艙外形圖如圖2所示。

圖2 野外核磁診斷車方艙外形圖(單位：mm)

方艙4個角件處安裝電動支撐腿，用于方艙上下車。野外核磁診斷車運(yùn)輸狀態(tài)外形圖如圖3所示。艙內(nèi)配置發(fā)電機(jī)組，主要為整車行駛過程中艙內(nèi)環(huán)境保障系統(tǒng)供電，使得艙內(nèi)核磁設(shè)備能夠保持恒溫，便于野外核磁診斷車到達(dá)使用現(xiàn)場后迅速開展工作。

圖3 野外核磁診斷車運(yùn)輸狀態(tài)外形圖(單位：mm)

2 核磁共振成像系統(tǒng)設(shè)計

2.1 磁體小型化設(shè)計

核磁共振成像系統(tǒng)主要包括磁體、梯度線圈、診查床、電控柜、隔離變壓器、水冷機(jī)等，其中磁體質(zhì)量占系統(tǒng)總質(zhì)量的90%以上，因此磁體小型化設(shè)計對整個核磁共振成像系統(tǒng)小型化和輕量化改進(jìn)有重大意義。

目前用于醫(yī)療檢查設(shè)備的0．3 T核磁共振成像系統(tǒng)中磁體質(zhì)量大多在20 t左右，而且外形尺寸較大。由于車載底盤運(yùn)輸承載能力有限，且方艙結(jié)構(gòu)比較緊湊，現(xiàn)有的0．3 T磁體不適合安裝于車載方艙內(nèi)使用。并且現(xiàn)有的0．3 T磁體結(jié)構(gòu)為雙立柱式或C型結(jié)構(gòu)，均為場地內(nèi)固定安裝設(shè)計，其結(jié)構(gòu)不具有抗沖擊和抗震性能，不能滿足車載使用的要求。為了能夠完成野外核磁診斷車的研制，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)緊湊并且抗震、抗沖擊能力強(qiáng)的磁體[7]，以滿足車載系統(tǒng)的使用要求。為了實現(xiàn)磁體小型化與輕量化設(shè)計，采用釹鐵硼永磁材料[9]替代普通磁性材料產(chǎn)生磁體磁場，從而減小磁體體積及質(zhì)量。

通過軟件的建模分析與計算進(jìn)行磁性材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計及材料布局設(shè)計，并通過優(yōu)化磁性材料結(jié)構(gòu)及布局參數(shù)進(jìn)一步完成磁場設(shè)計優(yōu)化，最終完成磁體磁場設(shè)計，達(dá)到磁體的設(shè)計性能指標(biāo)。圖4為優(yōu)化后的磁體外形剖面圖，從該圖可以看出優(yōu)化后的磁體采用對稱立柱結(jié)構(gòu)，具有更強(qiáng)的機(jī)械穩(wěn)定性，更適合于移動使用。圖5(a)為磁體剖面磁場分布圖，從該圖可以看出磁軛中磁場飽和度不高，不超過1.6 T，磁性材料的性能可得到充分應(yīng)用。圖5(b)為磁體剖面垂直磁場分布圖，垂直磁場為核磁共振成像系統(tǒng)使用的磁場，從該圖可以直觀地看出成像區(qū)的大致范圍，該范圍滿足成像需求。圖6(a)為以磁體中心為原點(diǎn)，直徑500 mm、高度380 mm的橢圖表面每15°的磁場曲線，通過該圖可以看出該范圍內(nèi)的磁場高低差，說明該范圍內(nèi)磁場分布滿足需求，可通過調(diào)試達(dá)到成像要求。圖6(b)為以磁體中心為原點(diǎn)，直徑420 mm、高度380 mm的橢圖表面每15°的磁場曲線，通過該圖可以看出該范圍內(nèi)的磁場高低差，說明該范圍內(nèi)磁場分布滿足需求，可通過調(diào)試達(dá)到成像要求。圖7為以磁體中心為原點(diǎn)，分別沿X、Y、Z3個軸方向磁場的變化情況，其拐點(diǎn)位置大于成像區(qū)范圍，不會給成像帶來干擾。

圖4 優(yōu)化后的磁體外形剖面圖(單位：mm)

圖5 磁體磁場分布圖(單位：mm)

圖6 磁體不同位置的橢圖表面每15°的磁場曲線

圖7 磁體不同軸向磁場變化曲線

經(jīng)計算優(yōu)化可得，磁場強(qiáng)度為3120 Gs(1 Gs=10-4T)，沿Y軸方向的成像區(qū)范圍比X軸方向大80 mm。若繼續(xù)降低磁場強(qiáng)度到3000 Gs，會減少一些磁性材料的使用，但對減小磁體質(zhì)量和體積貢獻(xiàn)不大，而場強(qiáng)增大更有利于成像質(zhì)量的提高。通過掃描成像評估，2種磁場強(qiáng)度下掃描成像的性能指標(biāo)相同。綜合考慮，最終確定磁場強(qiáng)度為(3200±150)Gs。通過計算可得磁體各部件受力，經(jīng)受力分析可知，磁體各部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度能夠滿足受力要求，結(jié)構(gòu)性能安全可靠。

2.2 磁體抗震與抗沖擊設(shè)計

結(jié)合理論計算及實際情況進(jìn)行磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計。磁體結(jié)構(gòu)由通常的雙立柱形式改為四立柱，既可增強(qiáng)磁體的抗震性能，又可提高磁傳導(dǎo)效率，從而降低磁體質(zhì)量。針對方艙內(nèi)狹長空間的環(huán)境特點(diǎn)，磁體設(shè)計采用長寬不同的異形結(jié)構(gòu)，縮小寬度尺寸，并降低質(zhì)心高度，同時設(shè)計上還增加了磁體各部件的連接強(qiáng)度，使其抗震及抗沖擊能力增加，其外形結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 磁體外形結(jié)構(gòu)圖

2.3 梯度線圈設(shè)計

由于磁體小型化設(shè)計，梯度線圈也要根據(jù)磁體進(jìn)行小型化設(shè)計，以減小梯度線圈的體積和質(zhì)量。梯度線圈采用三維自屏蔽設(shè)計，與磁體進(jìn)行系統(tǒng)化設(shè)計提高自屏蔽效率，優(yōu)化線圈走線并改進(jìn)加工工藝，提高梯度效率及梯度強(qiáng)度。集成4階10通道主動勻場線圈，提高系統(tǒng)對環(huán)境的適應(yīng)性，其結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 梯度線圈結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)

2.4 野外核磁診斷車方艙電磁屏蔽設(shè)計

依據(jù)核磁共振成像原理，在進(jìn)行方艙設(shè)計時要進(jìn)行電磁屏蔽設(shè)計，防止外界電磁信號對核磁共振成像造成干擾，同時屏蔽磁體磁場對周邊環(huán)境內(nèi)工作的電子設(shè)備的干擾[10-11]。

為了節(jié)約成本、減輕方艙整體質(zhì)量，僅對核磁診察室進(jìn)行電磁屏蔽設(shè)計。核磁診察室根據(jù)法拉第籠原理進(jìn)行設(shè)計，艙體壁板加工時用屏蔽金屬板代替壁板診察室內(nèi)側(cè)蒙皮鋁板進(jìn)行整體壓制成型，為了防止屏蔽金屬板接縫處有縫隙，在整體壓制成型前將縫隙焊接打磨平整，從而保證壁板的屏蔽性能。

診察室各壁拼裝時，包括四面墻板、頂板、底板均采用2 mm鍍鋅鋼板，磁體左右兩側(cè)增厚到3 mm，用于電磁屏蔽，屏蔽效果要求10～100 MHz衰減>90 dB；同一面蒙板進(jìn)行鋼板拼焊，滿焊連接，焊縫不能有焊接缺陷，各板之間用鋼質(zhì)角件連接，中間加導(dǎo)電襯墊，鉚釘間距小于50 mm，以保證各面之間導(dǎo)電良好。核磁屏蔽方艙外形圖如圖10所示，其拼裝結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。

圖10 核磁屏蔽方艙外形圖(單位：mm)

圖11 核磁屏蔽方艙拼裝結(jié)構(gòu)圖

為了滿足方艙的整體屏蔽性能，診察室觀察窗與門也需要做專業(yè)的屏蔽設(shè)計。觀察窗采用屏蔽窗，門采用屏蔽門，并且觀察窗與屏蔽門安裝時各安裝面也需塞屏蔽絲網(wǎng)進(jìn)行屏蔽防護(hù)，其結(jié)構(gòu)類似壁板拼接縫屏蔽防護(hù)。

磁體安裝孔屏蔽設(shè)計時由于磁體外形體積較大，艙體頂板要設(shè)計磁體安裝孔，并且在將磁體安裝好后能夠?qū)⒖卓诿芊?，滿足艙體屏蔽要求和防水要求。頂板孔口屏蔽及密封防水設(shè)計如圖12所示。

圖12 頂板孔口密封屏蔽結(jié)構(gòu)圖

3 試驗驗證

通過研究攻克了核磁共振成像系統(tǒng)小型化、車載化的技術(shù)難題，并攻克了車廂核磁屏蔽技術(shù)難題，完成了野外核磁診斷車總體布局、核磁共振成像系統(tǒng)減震安裝設(shè)計，研制了野外核磁診斷車(如圖13所示)。該裝備研制完成后，進(jìn)行了基本性能測試，測試結(jié)果見表1，試驗照片如圖14所示。在中國醫(yī)科大學(xué)附屬第一醫(yī)院、吉林大學(xué)第一醫(yī)院完成了寒區(qū)示范應(yīng)用，在廣東省第二人民醫(yī)院、浙江省人民醫(yī)院完成了熱區(qū)示范應(yīng)用。經(jīng)過基本性能試驗和示范應(yīng)用驗證，野外核磁診斷車達(dá)到設(shè)計要求，且能夠滿足野外條件下傷病員的核磁影像診斷要求。

圖13 野外核磁診斷車實物圖

表1 野外核磁診斷車測試結(jié)果

圖14 野外核磁診斷車試驗示意圖

4 結(jié)論

為滿足自然災(zāi)害發(fā)生時現(xiàn)場緊急醫(yī)學(xué)救治的迫切需求，亟須開展野外核磁診斷車的研制。為此，本研究針對核磁診斷系統(tǒng)野外條件下的使用特點(diǎn)，開展了核磁共振成像系統(tǒng)車載化、小型化研究，通過磁體、梯度線圈小型化設(shè)計以及磁體抗震與抗沖擊設(shè)計，研發(fā)了一種適合車載的小型化核磁共振成像系統(tǒng)。同時進(jìn)行電磁屏蔽車廂設(shè)計及整車總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計，研制了野外核磁診斷車，有效解決了核磁共振成像系統(tǒng)野外條件下使用時有效防止磁輻射的技術(shù)難題。通過對野外核磁診斷車基本性能試驗和示范應(yīng)用，證明該裝備各項性能指標(biāo)能夠有效滿足野外條件下傷病員現(xiàn)場影像診斷的需求，為急救人員有效實施手術(shù)救治提供依據(jù)。但在使用中也發(fā)現(xiàn)，方艙內(nèi)在極高溫天氣條件下降溫速度緩慢，其制冷性能還有待進(jìn)一步提升。