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MRI失超原因及预防保护措施

正常情况下核磁液氦单向阀可以听到氦气排出的声音,这是正常损耗,只要没有形成冷凝水或者声音过大,都没有关系。偶尔在加液氦过程或者在量液氦液位过程会有短暂沸腾现象,稳定一会就好。氦气本身不会爆炸的,但氦气积聚的压力升高可能会导致爆炸,如果是持续大量的泄露,应立即联系工程师,并且注意记录液氦液面损耗情况,以免失超。

失超:在励磁或工作过程中,超导体因某种原因突然失去超导特性而进入正常态,即引起失超。此时温度急剧升高,液氦大量挥发,磁场强度迅速下降。不过,现代磁体设计相应的防范监控系统,以使运行中失超的可能性降低。

引起失超的因素很多:磁体结构和线圈组份、超导材料性能不稳定、磁体超低温环境被破坏、以及人为因素等。常见的失超有如下五类情况:

第一类:励磁时充磁电流超过额定值,或者充磁电流增加速度过快,均会导致超导线圈整体受到径向和轴向的电磁挤压力,使得浸渍于线圈绕组之间的环氧树脂局部开裂,此变形能的释放会转化为热能,从而引发失超。

第二类:灌注液氦速度过快,以及输液管尚未完全冷却到4.2K温度时,就将其插入磁体输液孔内,会引起杜瓦容器内液氦沸腾,迅速气化并喷发而出,导致超导环境遭到破坏,从而引发失超。

第三类:磁体杜瓦容器中的液氦液面降到一定限度(各厂家规定的液氦低限容量不等,一般极限经验值是满容量的30%)时,如果仍未按规定及时补充,则会导致失超。

第四类:磁体的真空隔温层真空环境破坏后,发生失超是肯定无疑的。

第五类:误操作紧急失超开关造成“意外”失超。

去磁:失超和磁体去磁是两个完全不同的概念。去磁只是通过磁体特殊设计的超导线开关电路慢慢泄去其储存的巨大能量(一个1.5T的磁体在励磁后所储存的磁场能量高达5MJ),使线圈电流逐渐减小为零,但线圈仍然浸泡在磁体杜瓦容器的液氦中,因此仍处于超导态。去磁一般是需要将MRI设备移机、拆除、或遇紧急情况时所主动做的工作。失超则是被动的,并且后果很严重,失超后不仅磁场消失,而且线圈失去超导性,会将电磁能量转换为热能。失超开始点总要经受最高温升,此局部温升既可能破坏磁体超导螺线管线圈绕组的绝缘,又可能熔化超导体,并且引起液氦急剧气化,严重时甚至引发接口爆裂、磁体“爆炸”而破坏整个磁体,并威胁磁体间中人员和财产的安全。

失超的预防保护措施:

失超后的线圈不可能从磁体中取出更换,只能重建其超导环境、励磁后继续使用,但是因为失超过后的线圈已经遭到某种程度的破坏,其再次发生失超的可能性增加,甚至形成“习惯性”失超的恶果,因此建立失超的预防和保护系统是十分重要的,首先通过传感器、探测器实时监控磁体的状态,同时建立励磁时的失超保护、以及超导建立并运行后的失超保护等防范措施。

⑴磁体监控和保护措施:磁体监控装置实时监控测量磁体线圈温度、应力、液氦液位、真空度、流量、杜瓦容器压力等参数值的变化。在磁体杜瓦容器里,安装液位计和加热器,用于测量和控制液氦液位高度,铂-钴合金温度计用于检测液氦温度;碳玻璃纤维温度计用于检测从液氮至室温段的温度。将应变片安装在超导线圈的径向和轴向支撑杆上,用于监测线圈的偏移和受力情况;超导线圈上下各安装一个失超探测器。为了诊断失超部位及研究其传播速度,还需要引出若干电压抽头引线,实时监测超导螺线管线圈绕组各个节段的失超电压。在杜瓦容器的真空抽口附近还要安装检验渗漏的氦传感器,以及真空计、压力表等。

⑵失超管(quench
tube):失超管是超导磁体不可缺少的一部分。它汇集了磁体的所有气体挥发管口,从磁体上端直通磁体间建筑外大气中。平时,失超管的作用就是排除废气。一旦失超,磁体杜瓦容器中近2000升液氦挥发的全部氦气(每升液氦可气化为1.25m3氦气)将从失超管喷出。如果失超管设计尺寸不足、铺设路径不合理、不通畅、甚至堵塞,磁体因内部压力快速增高而被损坏的可能性将增大。

⑶氧监测器和应急排风机:氦气的比重小于空气,而氮气又重于空气,所以补充致冷剂或失超后上述两种气体的泄漏有可能充满磁体间的所有空间,使人窒息。因此,要求在磁体间安装氧监测装置和应急排风机。并且应急排风机的开关可由氧监测装置自动控制,当磁体间氧含量低于设定浓度值时,应急排风机将自动打开,当发生磁体失超或氦气泄漏时,可保障仍然滞留在磁体间内人员的安全。

⑷紧急失超开关:紧急失超开关又称为磁体急停单元(Emergency Run-Down
Unit,ERDU),是人工强制主动失超的控制开关,装于磁体间内靠近门口的墙上,其作用是在紧急和危险情况下迅速使静磁场削减为零。该开关仅用于地震、火灾和危及受检者生命等突发事件时使用。出于安全考虑,可在失超按钮上加装隔离罩。需要严格控制进出磁体间的人员对该开关的非正常操作。

⑸除须具备上述失超保护电路和措施之外,每位MRI技师和工程师还必须每日例行如下工作:第一:观察和记录液氦水平和磁体压力,液面下降到一定数值(例如60%)时要立即通知液氦供应商前来灌装。第二:例行磁体各对外管口的常规检查。磁体上方各排气管路应保持畅通,以免容器内压力升高而导致失超。各输液口应密封完好,发现结冰要立即处理。通向室外的失超管应有防尘措施,并定期清理,防止堵塞。

⑹失超后需要重新抽真空、液氮预冷、灌注液氦、励磁等过程重建超导环境,其直接经济损失约50-70万元人民币。

失超管安装要求(以美国GE公司型号1.5TSigna HDi磁共振成像系统为例)

1.为确保在磁体失超时能将大量的氦气排到室外,磁体间要求安装失超管。

2.磁体失超时氦气排放量见下表:

3.失超管要尽可能直的通向安全的室外,从磁体接口到室外出口的总压降应小于17Psi(117.2kPa)。

4.失超管需通过波导进入磁体间内和磁体失超管口连接。

5.失超管的室外出口需防止雨,雪,老鼠等异物进入。顶上出口的失超管出口需比房顶高出0.9m, 墙出口的失超管出口需比地面高出 3.66
米,或采取相应措施确保人员安全。

6.失超管室外出口长 6.1m,宽 4.6m 的范围内为限制区域需设置警示牌限制人员进入,且不能有空调进风口。

7.屏蔽供应商应对失超管设计并施工。

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