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1. 5T 超导磁共振制冷系统的工作原理及日常维护

1医用磁共振技术是现代医学影像诊断技术的一个里程碑

医用磁共振设备主要由磁体、梯度系统、射频系统、计算机系统等硬件组成。这些硬件的不断改进和变革是各种成像技术得以发展的物质基础。其中磁体的发展是从低场到高场,从永磁型磁体到超导型磁体。可以说超导型高场磁共振机是现今医学影像诊断中的主力,它是现代电子计算机技术、光学传导技术、低温制冷技术、精密仪器制造技术、医学物理和化学技术共同作用的结晶。超导是指某些金属导体在温度降到接近绝对零度(-273℃)时,阻值接近于零。电子流在这种金属导体(即线圈)内高速运动从而产生高磁场。超导磁共振必须使用液氦作为制冷介质,氦是已知所有物质中沸点最低的,沸点是4.2K,而且只有氦在非常接近绝对零度时不会凝成固体,利用液氦可获得接近绝对零度的低温为超导线圈建立和保持超导环境(4.2K,-269℃)。磁体采用多层真空绝热结构,但由于结构支撑等多种因素,不可能完全阻止热传导,所以液氦会以蒸发的形式带出导入的热量,以维持4.2K的低温。为减少液氦的蒸发,超导磁共振上一般都配有制冷系统,提供冷量减少液氦蒸发。我们可以称低温致冷剂(液氦)的挥发为“自冷”而为磁体提供冷量的制冷系统可称为“制冷”,正是自冷和制冷两种机制的共同作用,才有效地维持着磁体的低温环境,并反过来减少致冷剂的损耗,制冷系统直接关系到MR致冷剂(液氦)的损耗,只有保证制冷系统的正常工作才可以使医院获得更高的效益,因此制冷系统的维护保养是医院设备工程师的重要工作之一。

2磁共振制冷系统的组成及关系

2.1组成:磁共振制冷系统由水冷机组、氦制冷机、冷头三部分组成。

2.2关系

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图1

如图1所示,实际上氦制冷机可看作水冷机组的部分负载(水冷机组还为CCA控制柜、GPA梯度放大器等提供冷量)而冷头又是氦制冷机的负载,由此可见,整个磁体正冷系统是由三级联冷来实现的,即水冷机提供一定温度的冷水(10℃左右)使氦制冷机的高压氦气得以冷却;氦制冷机又作为冷源,通过冷头活塞膨胀氦气使冷头温度骤降;冷头的低温在两个冷屏上的传播最后使磁体得到预期的冷却。上述三级中任何一环节故障都会使整个磁体冷却系统瘫痪,从而使致冷剂的挥发成倍增长。

3制冷系统的工作原理

3.1水冷机组工作原理

水冷机组工作原理与空调类似,在此不再赘述。

3.2氦制冷机工作原理

氦制冷机的功能是在压缩机内压缩氦气,然后在冷头处膨胀以使冷头处于低温环境。我院西门子SYMPHONY1.5T超导型磁共振是较为常见的机型,下面着重介绍该机配备的LEYBOLDRW6000型氦制冷机。

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图2RW6000型氦制冷机工作原理图

为说明问题,先从经冷头返回的低压氦气(约7bar)输入端看起,该低压氦气进入后被直接送往氦压缩机。压缩后的氦气压力升至22bar左右,同时温度也变得非常高,紧接着该高温高压氦气流被驱往热交换器变为高压低温氦气,该高压低温氦气通过长达数米的密封保温软管直达位于磁体上的冷头,并在那里节流,使氦气迅速膨胀而发生焦耳-汤姆孙效应,其结果使氦气温度进一步下降并向周围吸热从而使冷头产生所需要的冷量,膨胀后的低压氦气又被送回制冷循环输入端开始下一流程。值得注意的是,RW6000型氦气制冷机内部除了氦气循环外还牵涉到油循环,氦气压缩机采用油介质来密封、润滑以及冷却的,由上图可看出,油介质在热交换装置中与水发生热交换,然后通过油气分离装置(油阱)和油吸附器与氦气分离。

3.3冷头的工作原理

如图3所示:冷头与氦制冷机组成一个闭路氦气循环,二者通过绝热柔性压力管相连,充满高纯度氦气。冷头是一个二级膨胀机,经过压缩的高纯氦气在这里膨胀带走周围的热量,通过两极缸套端面的铟垫圈将冷量传输到磁共振的这2个冷屏上,为其提供20K\77K两级低温。冷头由驱动电机、旋转阀、配气盘、活塞和气缸组成。其运行方式是驱动电机控制旋转阀在配气盘上旋转,控制活塞压缩和膨胀气体,形成高压气体腔和低压气体腔的交替循环,完成吸入高压低温氦气(22Bar,8℃)排出低压高温氦气(7Bar,30℃)的过程,同时将冷头中的热量带到氦制冷机中。

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图 3

4制冷系统的维护保养

前已言之,磁体制冷系统是采用三级联冷来实现的,因此,制冷系统三个主要部分在日常工作中都是保养维护的范围,下面将分开叙述三部分的维保工作。

4.1水冷机组的维护保养

由于水冷机组主机置于室外,针对其的维保要求严格,具体内容如下:

(1)2008年前,我院采用开启式水循环系统,该系统需定期观察设备上的压力表,如果数值低于要求值,需通过补水箱添加蒸馏水。2008年后,我院针对水循环系统进行改装,改装为封闭式系统,通过压力感应阀控制循环系统水量,因此,改装后的循环系统不存在水量不足问题。

(2)定期检查室外机组冷凝器及风扇上有无杂物,如果有的话应及时清理,建议一个月进行一次清理工作。

(3)定期清洗室外机组冷凝翅片上的灰尘,可用毛刷清扫或用自来水冲洗,建议每三个月进行一次清洁工作。

(4)冬春季水冷机组特别说明:由于我院地处广东北部,冬春两季很长时间处于阴冷潮湿时段,此时应特别注意:①各温度传感器工作状态,尤其是注意出水传感器,如果出现问题应及时更换,因为传感器故障容易导致水冷机组过冷化,冬季温度低会如果过冷工作会导致水循环系统结冰,并破坏压缩机。②冬春季潮湿,室外机内部各铁制器件易发生锈蚀,如不及时处理将使水冷机组发生故障,一般在这些器件上涂抹黄油可防止生锈。

4.2氦气制冷机的维护

LEYBOLD公司生产的RW6000型氦制冷机一般情况下工作很稳定,经过我院长达8年的工作记录看,其在结构及原理上设计的相当完美,唯一要注意的是其内部的油吸附器(见图4)要定期更换。

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图4

吸附器是过滤氦气中油雾的重要部件,它的好坏与否关系到冷头的使用寿命,这是因为氦气经压缩机压缩后,气里面带有油雾(压缩需油润滑)经过油阱过滤掉大部分,剩下的完全依靠吸附器吸附掉,而吸附器的主要成分是活性炭,一定时间后就会饱和,失去吸附作用这样油就会跟随氦气污染管道,进入冷头中冻结,造成活塞急剧磨损。因此吸附器应定期更换,一般建议1.5-2年更换一次(与冷头活塞一同更换)。

4.3冷头的维护和保养冷头和压缩机一刻不停的运行,额定工作寿命一般在(1.5~2)年。冷头的的工作状态直接影响液氦的挥发,同时冷头价格比较昂贵。对冷头的维护和保养应做到以下几点:(1)值班人员做好日常监测工作值班人员应每天记录液氦面值,用以计算一段时期的液氦挥发率。如发现有上升趋势应及时采取相应措施。工作人员注意监听冷头工作鸣音是否正常。如发生意外停电,来电后应及时人工恢复电力并开启氦制冷机。长时间停电,冷头两级要恢复正常温度需要(1~2)天时间,因此要尽量避免夜间无人值班,防止遇瞬间停电时不能及时恢复电力。(2)定期更换冷头活塞(见图5)

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图5

为延长冷头正常使用寿命,改善冷头的工作状态,应定期(2年左右)对冷头中的活塞进行更换活塞(displacer)是冷头制冷的关键部件,材料是丝绸胶木(防磁不磨损缸筒),以铅丸为填料(蓄冷增重)。活塞长年以2Hz的频率在缸筒内往复运动,随时间不断磨损,造成气密不严、制冷效率下降。另外超期使用会使填料松漏,严重的会将活塞卡死在缸套中造成彻底报废,也可引起磁体失超。更换冷头活塞需要将冷头停机,由于冷头并不与液氦层相连而是与冷屏相连,更换时间不会超过三个小时,因此不会造成液氦的大量损失。另外,更换活塞后应对冷头内部进行纯化。纯化的目的是使系统内充满相应压力的高纯度氦气,而不能含有空气,否则空气中的一些成分(水蒸气、二氧化碳)在冷头的超低温环境下形成结晶冻住活动部件,导致冷头在很短时间内损坏。因此应采取先抽真空,再充人纯度为99.999%的氦气,然后放掉氦气重新抽真空的方法,反复(4~5)次达到效果。

5小结

维持超导磁体超导状态所用的制冷剂是价格昂贵的液氦。一个良好的、稳定的冷却系统,不仅是超导环境存在的重要保证,而且能大大降低液氦的挥发,减轻磁共振运行成本。我国是贫氦国家,氦气的价格也是一直处于较高价位。因此,医院工程师对于磁共振制冷系统维护的好坏间接关系到医院效益,如今超导型磁共振已在我国得到普及,更应该使各医院明白磁共振制冷系统的重要性。

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