核磁创新发展之零液氮技术

    医用磁共振成像仪（MRI）是最先进的无损伤快速断面成像设备，已广泛用于人体成像诊断疾病、早期检测肿瘤（分辩率达1.5mm）和心血管发病预兆,具有很高的临床价值。磁共振成象装置已成为当今医院中最大型的低温诊疗机器，是医疗现代化的重要标志。

    磁体系统是磁共振成像仪中的关键部件，由于它具有大孔口、高磁场、高均匀性和高可靠性要求，必须采用超导磁体。因此，MRI技术直接涉及液氦冷却技术和低温制冷机传导冷却技术。

一、MRI装置——液氦冷却的发展历程

   （1） 敞口式超导磁体液氦杜瓦

    1985 年前，所有的MRI超导磁体系统都是敞口式的。超导磁体被沉浸在一个液氦杜瓦中，液氦容量大约为300—1500升。液氦容器外面包围着一个氦蒸气冷却 屏，利用容器内蒸发的氦蒸气将其冷却到大约30K，保证内容器中液氦的低蒸发。氦蒸气冷却屏外面又包围着一个液氮保护屏，与一个附加的液氮容器相连接。液 氮保护屏与外壳体之间为多层绝热。液氦的损失大约为0.5—1 L/h，要求一个月补充一次液氦。由于装置了液氮保护屏，还需要有一个外贮存系统通过自动补液装置经常补充液氮。敞口杜瓦系统需要由低温技术人员来操作。加之，液氦价格高昂，不易获得。因此不能受到用户普遍欢迎，只能在大城市的研究型医院使用。

    （2） 采用G-M制冷机的液氦杜瓦

    虽然A.Little公司在1960年就推出了第一台两级G-M制冷机，但由于不维修时间只有几星期到几个月，难以获得广泛应用。在70年代，低温冷凝真空 泵的快速发展促进了低温制冷机性能和可靠性的提高，也为在MRI液氦杜瓦中的应用创造了条件。当时的两级G-M制冷机在80K时的制冷量为50W、在 20K时为5W，输入功率大约为1.7～3.0 KW。运转频率大约为1Hz，维修间隔为18个月。采用两级制冷机的MRI液氦杜瓦系统的补充液氦的间隔大为增长。在这种情况下，制冷机的第一级用来冷却80K冷屏，因而省去了附加液氮冷却的需要。制冷机的 第二级用来冷却30K冷屏到更低温度，例如15K，使液氦的蒸发损失减少为0.2~0.3L/h，因而将1200L的液氦容器工作到20%的液体，能维持 到4-6个月。下图示出采用两级G-M制冷机的MRI超导磁体恒温器的结构布置。制冷机与冷屏之间通过传导传热，彼此应有良好的热接触。在需要维修时制 冷机应易于移走，并保证杜瓦的绝热真空不会破坏。由于80K冷屏具有一定的热稳定性，维修时将制冷机关闭或从恒温器中移出时，屏温的变化不会很明显。

    1985年以后，采用两级G-M制冷机的MRI液氦杜瓦开始批量生产，维修间隔增长到每年一次。从而把MRI系统的市场化推向一个新的水平。现 在，MRI系统已被 广泛应用到各种医院、诊所和流动医院，而不再仅仅局限于大城市的研究型医院。这应归功于G-M制冷机的性能改善和提高。

    （3） 具有零蒸发的MRI液氦杜瓦

    零蒸发的MRI液氦杜瓦是一种理想的设计方案，如果能够实现，将使MRI的操作和维护带来很大的方便。在1990年之前，低温界一直在探讨采用4K 级J-T 回路的氦气再冷凝制冷机的可能性，因为传统的两级G-M制冷机的最低制冷温度为8-10K，不能使氦液化。因此，采用具有J-T回路的两级制冷机系统是一 个颇为理想的方案，机器的第一、二级可以分别用来冷却80K和30K冷屏，而节流级制冷温度（4K）则用来使蒸发的氦蒸气再冷凝，使液氦容器中的液氦损耗 率降为零。但是，具有J-T回路的制冷系统结构复杂、价格昂贵，而且还需要有一种冷却磁体电流引线和仪表引线的新方法，原来它们是由蒸发的氦气冷却的。

    上世纪80年代后期对稀土金属化合物回热填料在低温制冷机中的应用研究取得了突破性进展，两级G-M制冷机的制冷温度从传统的10K左右降低到液氦 温度以 下，并且在4.2K下可获得1W以上的制冷量。现在，这种新型的G-M制冷机已有批量产品，可用于MRI系统。例如，日本住友重机公司推出的4K级G-M 制冷机系列，在4K时的制冷量分别为0.5w，1.0w和1.5w。压缩机为空冷或水冷，制冷机可在各种朝向下工作。制冷机的无维修工作时间 MBTF≥20000h。较之带J-T系统的低温制冷机，它具有结构简单紧凑，成本低廉等优点。它在MRI中的应用可实现液氦杜瓦的无损贮存，因而零蒸发 的MRI液氦杜瓦应运而生。

    美国通用电器公司（GE）设计的零蒸发液氦杜瓦。在这个系统中，磁体沉浸在液氦中，采用一台两级制冷机，制冷机的第一级用以冷却传 导屏； 第二级用来使蒸发的氦蒸气再冷凝，消除了对装置磁体的液氦容器补充液氦的需要。这样，MRI系统一次装满液氦后就可以稳定运转很长时间，制冷机也只需日常 的维护。这种零蒸发的新产品具有下列特点：1）消除了一个80K冷屏，杜瓦系统更加紧凑；2）制造成本下降；3）液氦的损耗量最小；4）维护更容易、维修 频率更低。在液氦价格昂贵且没有熟练低温人员的地方，零蒸发设计在许多市场倍受欢迎。

    （4） 采用传导冷却磁体的MRI装置

    在新开发的采用传导冷却磁体的MRI系统中，使用两级低温制冷机取代液氦，承担同时冷却磁体和冷屏的任务。这样可以使传统杜瓦的双冷屏绝热结构简化为只有一 个冷屏。同时，由于去除了液氦容器和一个冷屏之后，使低温恒温器的尺寸大为减少，成本也大幅度下降，并使系统变成开式成为可能。

    1993 年，GE公司制成一台0.5T的用传导冷却磁体的开式装置，如下图所示。磁体由三个Nb3Sn线圈组成，每个线圈分成两半, 被一对制冷机传导冷却到10K。用于制冷的两台G-M制冷机的冷头装于恒温器底部的一个抽空壳套中，以获得高度可靠性和易于维护，通过两台制冷机的合作， 使超导线圈保持在低于其临界温度13.5K以下的低温。

    采用传导冷却的MRI装置于1994年首先由GE公司生产。这种开式磁体系统不仅消除了对液氦供运的需要，而且能减轻病人在检测中的恐惧感、施行介入疗法，在诊断的同时进行治疗。

    总之，从上述MRI装置的4个典型的发展过程，清楚地看到了MRI技术与低温技术的密切关系。首先，制冷机在超导液氦杜瓦绝热腔中的应用，消除了液氮保护屏和附加液氮槽的需要。其次，这种设计只用制冷机来冷却绝热冷屏而不去冷却液氦槽，使磁体对制冷机的故障不敏感，导致系统的高度可靠性。成为MRI装置产品走向市场的里程碑。

    4K级G-M制冷机的突破性进展，导致MRI实现了超导液氦杜瓦零蒸发的梦想。采用双制冷机传导冷却MRI，不仅消除了液氦的需要，使装置的尺寸和重量大幅度减小，而且可使磁体设计成开式系统，可采用介入疗法，受到用户欢迎。

    MRI装置今后的进一步发展仍然在很大程度上与制冷机相关，例如，G-M制冷机成本的下降和寿命的提高，脉管制冷机的稳定性的提高和应用，都将会对MRI医疗设备的新发展带来新动力。

二、无液氦超导磁体研发

    中国科学院电工研究所研制成功具有10T高磁场、100mm孔径可以长期运行的无液氦超导磁体系统。该系统已于09年通过中国计量科学院的现场测试，可供长期稳定运行。

    普通的高磁场超导磁体需要在液氦环境下运行，但是日益高涨的液氦价格使得磁体运行成本高昂，繁琐复杂的液氦操作也限制了超导磁体的广泛应用。研究和发展新型 的超导磁体系统以消除对于液氦的依赖和节省运行成本具有重要的意义。中科院电工所王秋良研究组，长期致力于具有特种功能和结构的复杂磁场分布的高磁场超导磁体科学和技术的研究。在中科院重大仪器项目和国家自然科学基金资助下，研制成功具有10T/100mm大口径的无液氦高磁场超导磁体系统，解决了一系列 关键的基础技术问题。研制成功的超导磁体可提供的最大磁场为10.3T，磁体的室温可利用孔径为100mm，运行电流为120A，超导线圈的整体温度之差 小于0.1K，磁体的最低运行温度达到3.6Ｋ。超导磁体系统实现连续运行，先后提供给中国科学院理化技术研究所、西门子（中国）有限公司、天津医科大学、深圳大学、农业科学研究院等单位进行了物理和生物医学、海水淡化等方面的科学实验研究。

    该项技术的发展极大降低了系统运行费用，为超导强磁场技术的应用开辟了一个新的时代，尤其对于需要长期运行的超导磁体（例如核磁共振NMR，MRI及其它科学仪器）具有重要的科学应用价值。系统的研制成功使得我国跻身于实用化超导磁体研究开发的国际先进行列。

    10T/100mm无液氦高磁场大口径超导磁体系统

三、现有零液氦MRI品牌列举

    G.P.S三家中，1.5TMRI分别是：GE Signa HDe 1.5T新一代ECO 磁共振，飞利浦Achieva 1.5T H，西门子MAGNETESSENZA 1.5T磁共振，其中西门子这款MRI采用的就是零液氦消耗技术。

    2008年北美放射年会上，飞利浦推出业界首台多源发射磁共振Achieva 3.0T TX，堪称开创3.0T的里程碑。此款设备采用的就是业界领先的零液氦消耗的磁体技术。（节省运行成本，无停机风险）在正常工作状态下，充填间隔达十年以上，而其他两家公司则分别要四年充填周期甚至个月就需充填一次。这样一来仅液氦一项，以机器十年的使用期计算，将为医院节省至少120万元人民币。同时由于目前液氦短缺，如果在需要充填液氦时找不到货源，将面临停机影响正常的工作的风险。

    潍坊新力超导磁电科技有限公司正在研发1.5T液氦零挥发核磁共振成像超导磁体，此项目是2012年山东省自主创新成果转化重大专项项目入库项目。

四、MRI设备整体发展趋势

    (1)MRI的主磁场强度不断提高，20世纪80年代从最初0.16 T(甚至0.04 T)，逐步升高至0.35 T，再经0.5 T升至1.0 T，然后在相当长的时期内(上世纪90年代)稳定在1.5 T(个别公司曾经生产过2.0 T的设备)，而21世纪初3.0 T磁共振问世，经过10年发展，技术逐渐成熟，我国2002年装备首台3.0 T设备，至2010年末全国装机量已经达到近200台。

    (2)伴随主磁场强度的不断提高，其接受线圈也历经体线圈、表面线圈、正交线圈、相控阵线圈、多通道(甚至全身一体化)线圈的发展历程。

    (3)虽然MRI具有多优点，但是其扫描速度较慢，为其主要不足之处。近年来MRI的扫描速度逐年加快，主要通过梯度场场强不断提高，切换率逐渐加快和并行采集技术来实现秒级、屏气扫描或者获得实时动态图像。扫描速度慢是制约MRI临床应用的瓶颈问题，科学家仍然进行不懈的努力以缩短总检查时间。期间还出现过双梯度发射场技术。

    (4)目前MRI技术进步主要体现在磁体方面，包括推出短磁体、大孔径磁体，以提高被检查者舒适度，降低“幽闭恐惧”发生率，大孔径磁体还有助于实现MRI/PET一体机。此外，由于冷头技术的进步，高场强磁体已经实现“零液氦”添加，可以每3～5年添加一次液氦，使运行成本大为降低。

    (5)近年来MRI设备的技术进步主要体现在射频多通道发射方面，以使激发野更为均匀，降低图像变形和伪影。

    (6)在现有技术不变的情况下，进一步优化脉冲序列和扫描参数，编制新的图像后处理软件和简化操作流程，使工作效率得到进一步提高。