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        磁共振勵(lì)磁過(guò)程中失超的風(fēng)險(xiǎn)因素分析

        2021-12-05 08:54:50王宏杰金錦江王立堅(jiān)褚永華
        中國(guó)醫(yī)療器械雜志 2021年6期
        關(guān)鍵詞:液氦體腔磁體

        【作 者】王宏杰,金錦江,王立堅(jiān),褚永華

        浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第二醫(yī)院,杭州市,310009

        0 引言

        磁共振以其特殊的成像優(yōu)勢(shì),在病人病情檢查中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用,但由于自身成像速度限制,目前大醫(yī)院磁共振都需要預(yù)約較長(zhǎng)時(shí)間。而磁共振一些有危險(xiǎn)性的維修,比如冷頭更換、重新勻場(chǎng)、磁體除冰、梯度線圈更換等維修時(shí),需要降場(chǎng)操作。維修完畢后,勵(lì)磁過(guò)程是否順利,直接決定磁共振能否按計(jì)劃投入使用,一旦失超,需要重新補(bǔ)充液氦,恢復(fù)時(shí)間漫長(zhǎng),嚴(yán)重影響醫(yī)院病人安排,容易出現(xiàn)矛盾。因此分析勵(lì)磁過(guò)程中的影響因素,減少勵(lì)磁失超有著十分重要的意義,筆者以西門(mén)子磁共振為例進(jìn)行分析,由于西門(mén)子磁共振勵(lì)磁相關(guān)的設(shè)計(jì)具有相似性,因此可通用于1.5 T AERA、1.5 T Avanto、3.0 T Verio、3.0 T Skyra、3.0 T Prisma等西門(mén)子主流磁共振。

        1 西門(mén)子磁共振勵(lì)磁原理

        磁共振磁體內(nèi)部由主線圈、主動(dòng)屏蔽線圈、Switch Heaters、Quench Heaters、EIS Switch等組成[1]。當(dāng)磁體勵(lì)磁時(shí),外界控制電路加熱Switch Heaters 使其處于斷開(kāi)狀態(tài),從而使磁體內(nèi)外部連通。Switch Heaters是一種可加熱超導(dǎo)開(kāi)關(guān),當(dāng)此超導(dǎo)開(kāi)關(guān)處于超導(dǎo)狀態(tài)時(shí),磁體內(nèi)電流通過(guò)超導(dǎo)開(kāi)關(guān)在主線圈和主動(dòng)屏蔽線圈內(nèi)部進(jìn)行循環(huán),電流內(nèi)部循環(huán),如圖1所示。當(dāng)超導(dǎo)開(kāi)關(guān)被加熱后,磁體內(nèi)部電流無(wú)法通過(guò)超導(dǎo)開(kāi)關(guān)進(jìn)行循環(huán),此時(shí),勵(lì)磁電源提供的外部電流可通過(guò)磁體正負(fù)電極與超導(dǎo)線圈連通,電路外部連通,如圖2所示。

        圖1 電流內(nèi)部循環(huán)Fig.1 Internal current loop

        圖2 電路外部連通Fig.2 External current loop

        2 勵(lì)磁過(guò)程中相關(guān)因素分析

        分析數(shù)據(jù)選取本院MAGNETOM Avanto磁共振勵(lì)磁過(guò)程,利用NI Labview和多通道數(shù)據(jù)采集卡每隔2 s進(jìn)行如下關(guān)鍵參數(shù)監(jiān)測(cè):勵(lì)磁電源輸出電流;磁體內(nèi)部壓力;磁體電極溫度;CCR4熱敏電阻電壓變化值。

        CCR4熱敏電阻電壓值變化情況最能表征磁體內(nèi)部穩(wěn)定性[2],CCR4電阻位于磁體腔內(nèi)部靠上位置,無(wú)液氦浸泡,其電壓變化值可反應(yīng)磁體腔內(nèi)無(wú)液氦浸泡的超導(dǎo)線圈部分所處外界環(huán)境的溫度變化。通過(guò)對(duì)勵(lì)磁過(guò)程數(shù)據(jù)分析,可得到以下三個(gè)主要階段:

        階段一:加壓冷卻磁體電極過(guò)程。此過(guò)程磁體壓力逐步升高,由15.3 psi(1 psi=6.89 kPa)緩慢增加到16.35 psi附近,此時(shí)磁體16 psi壓力閥門(mén)打開(kāi),揮發(fā)的氦氣流經(jīng)磁體電極,起到降溫作用,此過(guò)程中電極溫度從約50 K下降到20 K左右。

        階段二:Cable test過(guò)程。電流緩慢升高至約100 A,通過(guò)計(jì)算勵(lì)磁回路關(guān)鍵連接處壓降情況,測(cè)試整個(gè)勵(lì)磁回路是否連接完好,避免出現(xiàn)阻值過(guò)大[3]。

        階段三:勵(lì)磁過(guò)程。電流逐步升高,對(duì)應(yīng)電壓呈現(xiàn)緩慢下降過(guò)程,磁體電極溫度迅速爬升,此時(shí)磁體電極需要不斷揮發(fā)氦氣進(jìn)行冷卻,電極溫度-磁體壓力關(guān)系,如圖3所示。

        圖3 電極溫度-磁體壓力Fig.3 Current lead temperature-magnet pressure

        整個(gè)勵(lì)磁過(guò)程中電流與CCR4熱敏電阻電壓的變化關(guān)系,CCR4 熱敏電阻變化(見(jiàn)圖4 )。隨著電流的增加,CCR4電阻上電壓由1 130 mV下降到1 000 mV左右,其對(duì)應(yīng)于CCR4位置的溫度為上升。CCR4變化越大,說(shuō)明磁體內(nèi)超導(dǎo)線圈非浸泡液氦的部分,所處外界環(huán)境溫度變化越大,因而失超風(fēng)險(xiǎn)越高。

        圖4 CCR4熱敏電阻的電壓變化Fig.4 Thermistor CCR4 voltage change

        此外,液氦量與勵(lì)磁穩(wěn)定性也有直接關(guān)系,通過(guò)對(duì)一臺(tái)Verio 3.0 T 磁共振近7年的連續(xù)跟蹤,此磁共振因?yàn)槌?,換冷頭,勻場(chǎng)等先后7次升降場(chǎng),7次升場(chǎng)(勵(lì)磁)前液氦量分別為91.6%、89.2%、84.9%、95.4%、89%、84.2%和50.8%。統(tǒng)計(jì)每次勵(lì)磁起始液氦與CCR4變化關(guān)系如圖5所示。圖中可以看出,當(dāng)液氦量為50.8%時(shí),CCR4 上電壓變化值185 mV,變化范圍最大;當(dāng)液氦量為95.4%時(shí),CCR4上電壓變化范圍122 mV,變化范圍最?。划?dāng)液氦量84.2%~91.6%時(shí),CCR4上電壓變化范圍133 mV~139 mV,變化范圍穩(wěn)定。

        圖5 液氦-CCR4Fig.5 Helium level-CCR4

        由以上參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)變化及勵(lì)磁原理分析可得,由上述過(guò)程分析可得電極溫度、磁體壓力、勵(lì)磁回路線阻、液氦量都是影響勵(lì)磁過(guò)程的關(guān)鍵因素。降低失超風(fēng)險(xiǎn),勵(lì)磁過(guò)程中需注意的關(guān)鍵因素如下:

        (1)較高的液氦量,不低于60%,以降低磁體腔內(nèi)部非液氦區(qū)域的溫度波動(dòng)。

        (2)磁體內(nèi)部氣路通暢,從而確保不斷揮發(fā)的氦氣能夠?qū)Υ朋w電極和CCR4電阻所在腔體持續(xù)降溫。

        (3)勵(lì)磁回路連接線路接觸良好,減少不必要的熱量轉(zhuǎn)換和傳遞。

        (4)一次勵(lì)磁到目標(biāo)值,避免因超出工作頻率等因素,而進(jìn)行不必要的額外調(diào)整。

        3 關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素相關(guān)問(wèn)題及處理方法

        (1)液氦量檢查。升降場(chǎng)操作會(huì)有液氦消耗,如果在磁體降場(chǎng)前發(fā)現(xiàn)液氦面較低,建議提前準(zhǔn)備液氦,勵(lì)磁開(kāi)始前確保液氦不低于60%。

        (2)磁體內(nèi)部結(jié)冰檢查。能否達(dá)到所需的高磁體壓力與磁體內(nèi)部結(jié)冰情況關(guān)系密切。圖6磁體腔除冰前,所示即為磁體內(nèi)部結(jié)冰,內(nèi)部結(jié)冰阻止氦氣的揮發(fā),從而不能有效對(duì)電極和腔體降溫。因此需對(duì)磁體腔內(nèi)結(jié)冰程度進(jìn)行評(píng)估,必要時(shí)進(jìn)行除冰處理,圖7磁體腔除冰后,除冰后磁體腔內(nèi)部氣路通暢。

        圖6 磁體腔除冰前Fig.6 Magnet cavity before deicing

        圖7 磁體腔除冰后Fig.7 Magnet cavity after deicing

        (3)復(fù)雜場(chǎng)地環(huán)境檢查。多臺(tái)相同磁場(chǎng)強(qiáng)度磁共振,緊鄰放置時(shí),容易出現(xiàn)CO-SITE磁共振互相干擾的情況。這種情況對(duì)磁共振工作頻率有嚴(yán)格要求,因此需確保勵(lì)磁目標(biāo)電流設(shè)置準(zhǔn)確,從而使場(chǎng)強(qiáng)相同的磁共振,工作在不同頻率段。因此勵(lì)磁前需要根據(jù)實(shí)際場(chǎng)地情況精確計(jì)算目標(biāo)勵(lì)磁電流,避免因最終工作頻率不達(dá)標(biāo)進(jìn)行的二次勵(lì)磁。即使相同型號(hào)磁共振,每臺(tái)磁共振的磁體參數(shù)也有差異,具體磁體參數(shù)需參考系統(tǒng)自帶文件Installation Data。Installation Data中可查出Operating currentI(A),F(xiàn)ield Current ratioR(kHz、0.1Amp)以及對(duì)應(yīng)的主磁場(chǎng)強(qiáng)度B0(T),由此所需頻率F(Hz)的勵(lì)磁電流S(A)可近似計(jì)算為:

        其中f0為氫原子核共振頻率42.577 MHz/T。

        (4)線路連接測(cè)試。勵(lì)磁電源加載100 A的電流,分別讀取勵(lì)磁電源端MPS VOLTS和磁體端MAG VOLTS壓降情況,若壓降過(guò)大,則阻值異常,不能進(jìn)行勵(lì)磁操作,需要檢查勵(lì)磁回路。測(cè)試界面,如圖8所示。

        圖8 測(cè)試界面Fig.8 Cable test interface

        4 總結(jié)

        磁共振失超是一種常見(jiàn)的、恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)的重大故障,嚴(yán)重影響醫(yī)院工作計(jì)劃安排。西門(mén)子磁共振勻場(chǎng)、除冰、更換冷頭和梯度線圈等具有危險(xiǎn)性的維修,都要降場(chǎng)操作,維修完畢后需重新勵(lì)磁。筆者從勵(lì)磁原理出發(fā),結(jié)合勵(lì)磁過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),揭示勵(lì)磁過(guò)程中相關(guān)的影響因素。同時(shí)通過(guò)分析勵(lì)磁過(guò)程中有代表性的實(shí)際問(wèn)題,說(shuō)明失超雖為不可控因素,但可通過(guò)勵(lì)磁前檢查及相關(guān)必要準(zhǔn)備,降低失超風(fēng)險(xiǎn)。

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