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    磁共振中的失超
    發布者: 官方
    發布時間: 2021年04月19日
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    以下文章來源于老王講技術 ,作者DerekW

    老王講技術老王講技術

    核磁共振(MR)基礎理論,設備組成,技術原理


    本文4335個字,8幅圖片,兩篇相關文章,建議閱讀時間30分鐘。


    其實失超并不復雜,大家也不用害怕,各位操作老師需要做的是盡可能加強MRI使用的管理,避免誤操作或者老鼠咬裝修等可控的失超發生,也加強管理防止金屬物體進入磁體間,同時按照場地要求規范的標準避免大質量的汽車接近磁體安全區域。


    目前醫生臨床使用的磁共振成像設備大部分為超導型磁共振,而對于這種磁共振,最麻煩的事就是失超Quench)。很多人認為失超就是磁共振事故了。本期給大家分享關于磁共振失超的一些相關知識。作者是老王Derek Wang,曾任飛利浦磁共振場地安裝工程師,場地安裝經理,目前職位為飛利浦服務顧問。
    磁共振中失超本來也是一個磁共振安全需要培訓的重要課題。
    前文鏈接:
    MR Safety 磁共振安全注意事項講課視頻
    磁共振場地相關注意事項及安全

    一.基本概念——失超

    失超Quench),名詞解釋是失去超導,這個現象一般指的是超導MRI系統主動、被動瞬間失去超導狀態的一個過程。

    回顧之前老王講過的磁體的相關知識,每一臺MRI設備內部的核心就是一個超導電磁鐵。為了保持磁鐵中心的磁場強度均勻,因此磁鐵一般做成空心狀,超導線圈在中空支架上纏繞。同時為了保證線圈處于超導狀態,磁體內部溫度需要足夠低,目前主流磁體的內部使用液氦作為冷卻液,液氦的溫度為4.215K, 約等于-269℃。

    老王在勵磁一節中介紹了為了使主磁場加電流所需要的大致步驟,為了給電磁線圈充電使用了復雜的勵磁回路并且使用了專用工具。那么如果對于本身已經有磁場的磁體因為某種原因要去掉磁場怎么辦呢?超導MRI磁體有兩種方式可以去掉磁場:

     1. 退場,指的是同樣通過勵磁回路,可控的將電流通過加速器(Accelerator,一個很小的電阻,但是疊加了強大的散熱系統)緩慢的消耗掉的過程。一般來說超導磁體勵磁的時候需要將電擊棒插入磁體中,將勵磁回路引入主磁場,而勵磁結束后將電擊棒拔出。如果要退場,也需要重新將電擊棒插入磁體。




    退場過程的優點:

    a.過程可控

    b.液氦消耗比較小

    c.對主線圈沒有損害


    退場過程的缺點:

    a.時間較為漫長,1.5T磁體大約需要1.5小時,3.0T磁體大約需要3小時

    b.需要準備專用工具

    c.一般需要重新將電擊棒插入磁體


    2. 失超,失超的原理是主線圈中的一段或幾段發熱導致此處線圈溫度上升從而失去超導狀態產生電阻,而線圈中流過的大量電流通過這一段電阻后又產生大量的熱量加熱附近的線圈,從而引發連鎖反應最終導致全部主線圈失去超導狀態并將電流轉換為熱量加熱液氦。

    失超不需要獨立工具,依靠磁體自身就可以發生的物理現象,結果是電磁線圈中的電流瞬間消失,同時液氦大量揮發,揮發產生的氦氣通過失超管排向室外。失超后需要重新進行勵磁才能恢復主磁場強度。

    我們知道液氦揮發變成氦氣體積膨脹大約700倍,失超后磁體中將近2000L液氦全部揮發變成氦氣全部通過失超管排出,大家可以簡單計算一下氣體排出的流量,因此失超發生后失超管會發生猛烈的低溫氦氣排放,這也是老王在前面場地準備知識里面不厭其煩的描述失超管以及圍欄的重要性的原因。




    二.失超的優缺點


    失超過程的優點:

    a. 過程瞬間完成

    b.不需要專用工具


    失超過程的缺點:

    a.過程不可逆,一旦開始只能任其發生

    b.失超過程消耗大量液氦。一般情況會消耗掉磁體內全部的液氦

    c.失超后需要更換爆破膜(后面專門介紹磁體的章節會詳細介紹原理)

    d.一般需要經過培訓的高級工程師對磁體內部進行除冰操作,此過程需要消耗大量高純度氦氣,并且費時費力(后面章節后面專門介紹磁體的章節會詳細介紹原理)。

    e.有可能會損壞磁體。


    三.失超的分類


    失超分為主動失超和被動失超兩種:

    1.主動失超,這里指的是按下矢超開關(Emergency Rump Down Unit, ERDU)后發生的失超。前面講過退場需要長時間的過程,同時還需要專用工具,在緊急情況時(如果不馬上退場會導致威脅人生命的情況發生),退場過程所需要的時間顯然是不能夠接受的,必須要迅速的采取行動,這個時候就需要使用到失超開關。失超開關按下之后會加熱磁體中的一個特殊的加熱器(Quench heater),這個加熱器可以主動的加熱一小段主線圈,從而引起連鎖反應最終導致失超現象的發生。

     



    2.被動失超。前面也講了,實際上主線圈中任何一段的發熱如果產生了電阻,那么就會導致連鎖反應最終發生失超。那么在實際使用過程中,其實有很多因素都可能被動的發生失超,并且發生被動失超的時候一般工程師都不在現場,爆破膜往往不會第一時間恢復, 這樣會導致磁體內部較多的結冰,重新恢復的過程費時費力。被動失超可能是因為磁體內部的原因,也可能是誤操作下面大致進行描述:
    a.主磁場線圈不夠緊固,運行過程中相互間產生了摩擦

    b.磁體內結冰,某些因素導致冷頭停止工作后冰融化掉落在主磁場線圈上引發熱量變化

    c. 金屬物體吸入磁體引發失超

    d. 磁體安全區域內有大質量的金屬物體運動引發失超

    e. 失超開關實際上就是一個接觸開關,兩根導線接觸就會引發失超。

    目前發生過的事故主要有下面兩種:

    (1).墻面裝修打孔不小心直接打到失超線,引發了失超

    (2). 老鼠咬失超線引發了失超

    請各位老師一定要注意保護好失超開關以及失超線,尤其注意裝修和老鼠??!

    f. 操作人員或者病人對矢超開關不理解導致誤觸發

    還有一類失超比較特殊,它發生在新裝機的勵磁過程中。這種失超雖然不是可控的和完全可以預計的,但是由于勵磁操作過程工程師全程在場,可以第一時間更換爆破膜,多數情況只需要重新添加液氦就可以重新勵磁。而且由于磁體生產和運輸的特殊原因,這種失超的發生對磁體日后的穩定運行可能還是有利的,因此老王將其歸為第三類,我們將在下一節詳細進行描述。


    四.失超的處理


    1. 失超后需要更換爆破膜

    爆破膜顧名思義是一個薄膜,它的作用是在發生失超的時候第一時間破損把氦氣排放出去。

    超導MR系統中的液氦如果變成氣態體積膨脹大約700倍,封閉空間內氣體迅速膨脹這個過程我們在日常生活中也能見到,就是炸彈爆炸,因此需要有失超管將氦氣排放出去避免造成更大的損害。

    但是失超管只能起到導氣作用,平時沒有發生失超的時候我們并不希望磁體內部與外界接通,這樣肯定會損失大量液氦,那么怎么做呢?

    很簡單的方法就是在磁體和失超管之間加入一個可以破損的薄膜,正常情況下薄膜能夠起到密封作用,一旦磁體內部壓力急劇增大的時候氦氣沖破薄膜,磁體內部的高壓氣體通過破損的爆破膜順著失超管排出磁體。下圖描述了一個爆破膜的大致安裝位置。




    每一個爆破膜都有一個可以極限壓力,在此壓力以下的時候保持密封狀態,一旦超過極限壓力爆破膜破損,比如某型超導MR磁體的爆破膜極限壓力為10PSI,意思是磁體內外壓力差超導10PSI的時候爆破膜破損。

    爆破膜種類很多,一般有金屬爆破膜,石墨爆破膜這類一次性爆破膜,還有可以多次使用的彈簧結構。下圖就是一個石墨爆破膜原裝和失后的樣子。




    發生失超后當現場情況穩定后越早更換爆破膜,后續需要專業處理的工序也就越少,因此還是提醒大家如果遇到失超的發生,第一時間通知維修工程師到場處理。

    2.  失超后一般需要經過培訓的高級工程師對磁體內部進行除冰操作,此過程需要消耗大量高純度氦氣,并且費時費力。
    后為什么要除冰呢?首先失超后爆破膜破損,磁體內大量氦氣排出,磁體內壓力急劇下降,如果長時間不作處理甚至會變成負壓。很容易想到如果磁體內部變成負壓,空氣就會涌入磁體內部,此時雖然磁體內部大量液氦揮發排出,但是內部溫度遠遠低于室溫。
    實際上磁體失超后內部溫度還是基本保持在-269℃附近(只有失超后長時間不處理磁體才會升溫,一旦磁體升溫,后續再降溫就會非常繁瑣,因此發生失超后盡可能第一時間更換爆破膜),空氣一旦進入磁體會很快結“冰”,請注意我這里的冰打了雙引號,原因是這不是我們平常意義上的固體水,更多的是固態氮和固態氧,磁體失去密封的時間越長,結冰也就越多。
    如果要重新勵磁,需要把這些冰除去,原理是用常溫的高壓氦氣加熱這些冰,重新將固態氮和氧重新變成氣態,并通過管道將混合氣體排出磁體。
    聽上去很簡單,但是一般需要經過專業訓練的高級售后工程師使用專門的工具一點一點的將冰吹掉,結冰越多所需要的操作時間也就越長。













    吹冰結束之后重新勵磁,超導MR系統就可以重新正常使用了。

    五.特殊的失超——勵磁失超

    為什么說勵磁過程發生的失超不可怕,尤其是新裝機的超導磁共振,這種失超的發生對磁體日后的穩定運行可能還是有利的。

    首先回顧爆破膜和吹冰的操作,老王不厭其煩的重復說一件事,就是失后盡快更換爆破膜,越早更換爆破膜,后續需要的操作也就越少,勵磁時候專業工程師在場,因此可以第一時間更換爆破膜,很多時候可能不需要除冰操作。

    這里給大家介紹一個平時很少聽說過的名詞—失超訓練Quench training)。既然失超并不是我們想看到的,那為什么還要訓練呢?

    首先失超訓練是工廠生產超導MR磁體的一個步驟,老王介紹磁體的時候講過,磁體內部是超導線圈浸泡在液氦中,工廠生產的時候是將超導線以一定順序纏繞在固定件上制作而成的。老王在介紹失超產生的原因時候提到過主磁場線圈不夠緊固,運行過程中相互間產生了摩擦可能會引發失超,對于新生產出來的磁體,線圈一般來說都不會特別的緊固,如果要使它變得更加緊固需要通過給線圈上電的方法,通過電磁場的相互吸引使其自然緊固。




    第一次上電過程中,電流可能并沒有加到100%就已經發生了失超,但是在這個過程中線圈已經比剛制作出來的時候緊固了許多,下一次線圈能夠承受的電流就會增加。通過重復勵磁—失超—再勵磁的過程,最終主線圈能夠承受的電流強度就可以達到標準要求。
    但是生產出來的磁體需要經過海陸空各種運輸途徑最終到達安裝的場地,在這個過程中由于震動碰撞等各種因素,非常小的概率下主線圈的緊固程度會降低,能夠承受的電流強度可能無法達到100%,此時進行勵磁可能會發生失超。
    然而就像之前所說的,這樣的失超實際上效果是讓主線圈更加緊固,我們可以認為是工廠的失超訓練順延到安裝過程中了。因此如果通過專門的檢測確認磁體沒有問題,那么這類失超對磁體本身并沒有多大影響,甚至可能會使其線圈更加緊固,更加穩定。
    也請大家注意,本文絕不是說安裝過程中的失超對磁體是有好處的,因為本身安裝勵磁過程中失超發生的概率就極低,而且任何失超的發生都有一定的概率對磁體內部電路產生影響,因此失超本身一定是要盡最大可能避免的。

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