磁共振励磁过程中失超的风险因素分析

【作 者】王宏杰，金锦江，王立坚，褚永华

浙江大学医学院附属第二医院，杭州市，310009

0 引言

磁共振以其特殊的成像优势，在病人病情检查中发挥着越来越重要的作用，但由于自身成像速度限制，目前大医院磁共振都需要预约较长时间。而磁共振一些有危险性的维修，比如冷头更换、重新匀场、磁体除冰、梯度线圈更换等维修时，需要降场操作。维修完毕后，励磁过程是否顺利，直接决定磁共振能否按计划投入使用，一旦失超，需要重新补充液氦，恢复时间漫长，严重影响医院病人安排，容易出现矛盾。因此分析励磁过程中的影响因素，减少励磁失超有着十分重要的意义，笔者以西门子磁共振为例进行分析，由于西门子磁共振励磁相关的设计具有相似性，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等西门子主流磁共振。

1 西门子磁共振励磁原理

磁共振磁体内部由主线圈、主动屏蔽线圈、Switch Heaters、Quench Heaters、EIS Switch等组成[1]。当磁体励磁时，外界控制电路加热Switch Heaters 使其处于断开状态，从而使磁体内外部连通。Switch Heaters是一种可加热超导开关，当此超导开关处于超导状态时，磁体内电流通过超导开关在主线圈和主动屏蔽线圈内部进行循环，电流内部循环，如图1所示。当超导开关被加热后，磁体内部电流无法通过超导开关进行循环，此时，励磁电源提供的外部电流可通过磁体正负电极与超导线圈连通，电路外部连通，如图2所示。

图1 电流内部循环Fig.1 Internal current loop

图2 电路外部连通Fig.2 External current loop

2 励磁过程中相关因素分析

分析数据选取本院MAGNETOM Avanto磁共振励磁过程，利用NI Labview和多通道数据采集卡每隔2 s进行如下关键参数监测：励磁电源输出电流；磁体内部压力；磁体电极温度；CCR4热敏电阻电压变化值。

CCR4热敏电阻电压值变化情况最能表征磁体内部稳定性[2]，CCR4电阻位于磁体腔内部靠上位置，无液氦浸泡，其电压变化值可反应磁体腔内无液氦浸泡的超导线圈部分所处外界环境的温度变化。通过对励磁过程数据分析，可得到以下三个主要阶段：

阶段一：加压冷却磁体电极过程。此过程磁体压力逐步升高，由15.3 psi（1 psi=6.89 kPa）缓慢增加到16.35 psi附近，此时磁体16 psi压力阀门打开，挥发的氦气流经磁体电极，起到降温作用，此过程中电极温度从约50 K下降到20 K左右。

阶段二：Cable test过程。电流缓慢升高至约100 A，通过计算励磁回路关键连接处压降情况，测试整个励磁回路是否连接完好，避免出现阻值过大[3]。

阶段三：励磁过程。电流逐步升高，对应电压呈现缓慢下降过程，磁体电极温度迅速爬升，此时磁体电极需要不断挥发氦气进行冷却，电极温度-磁体压力关系，如图3所示。

图3 电极温度-磁体压力Fig.3 Current lead temperature-magnet pressure

整个励磁过程中电流与CCR4热敏电阻电压的变化关系，CCR4 热敏电阻变化（见图4 ）。随着电流的增加，CCR4电阻上电压由1 130 mV下降到1 000 mV左右，其对应于CCR4位置的温度为上升。CCR4变化越大，说明磁体内超导线圈非浸泡液氦的部分，所处外界环境温度变化越大，因而失超风险越高。

图4 CCR4热敏电阻的电压变化Fig.4 Thermistor CCR4 voltage change

此外，液氦量与励磁稳定性也有直接关系，通过对一台Verio 3.0 T 磁共振近7年的连续跟踪，此磁共振因为除冰，换冷头，匀场等先后7次升降场，7次升场（励磁）前液氦量分别为91.6%、89.2%、84.9%、95.4%、89%、84.2%和50.8%。统计每次励磁起始液氦与CCR4变化关系如图5所示。图中可以看出，当液氦量为50.8%时，CCR4 上电压变化值185 mV，变化范围最大；当液氦量为95.4%时，CCR4上电压变化范围122 mV，变化范围最小；当液氦量84.2%～91.6%时，CCR4上电压变化范围133 mV～139 mV，变化范围稳定。

图5 液氦-CCR4Fig.5 Helium level-CCR4

由以上参数之间的关联变化及励磁原理分析可得，由上述过程分析可得电极温度、磁体压力、励磁回路线阻、液氦量都是影响励磁过程的关键因素。降低失超风险，励磁过程中需注意的关键因素如下：

（1）较高的液氦量，不低于60%，以降低磁体腔内部非液氦区域的温度波动。

（2）磁体内部气路通畅，从而确保不断挥发的氦气能够对磁体电极和CCR4电阻所在腔体持续降温。

（3）励磁回路连接线路接触良好，减少不必要的热量转换和传递。

（4）一次励磁到目标值，避免因超出工作频率等因素，而进行不必要的额外调整。

3 关键风险因素相关问题及处理方法

（1）液氦量检查。升降场操作会有液氦消耗，如果在磁体降场前发现液氦面较低，建议提前准备液氦，励磁开始前确保液氦不低于60%。

（2）磁体内部结冰检查。能否达到所需的高磁体压力与磁体内部结冰情况关系密切。图6磁体腔除冰前，所示即为磁体内部结冰，内部结冰阻止氦气的挥发，从而不能有效对电极和腔体降温。因此需对磁体腔内结冰程度进行评估，必要时进行除冰处理，图7磁体腔除冰后，除冰后磁体腔内部气路通畅。

图6 磁体腔除冰前Fig.6 Magnet cavity before deicing

图7 磁体腔除冰后Fig.7 Magnet cavity after deicing

（3）复杂场地环境检查。多台相同磁场强度磁共振，紧邻放置时，容易出现CO-SITE磁共振互相干扰的情况。这种情况对磁共振工作频率有严格要求，因此需确保励磁目标电流设置准确，从而使场强相同的磁共振，工作在不同频率段。因此励磁前需要根据实际场地情况精确计算目标励磁电流，避免因最终工作频率不达标进行的二次励磁。即使相同型号磁共振，每台磁共振的磁体参数也有差异，具体磁体参数需参考系统自带文件Installation Data。Installation Data中可查出Operating currentI(A)，Field Current ratioR(kHz、0.1Amp)以及对应的主磁场强度B0（T），由此所需频率F（Hz）的励磁电流S（A）可近似计算为：

其中f0为氢原子核共振频率42.577 MHz/T。

（4）线路连接测试。励磁电源加载100 A的电流，分别读取励磁电源端MPS VOLTS和磁体端MAG VOLTS压降情况，若压降过大，则阻值异常，不能进行励磁操作，需要检查励磁回路。测试界面，如图8所示。

图8 测试界面Fig.8 Cable test interface

4 总结

磁共振失超是一种常见的、恢复时间长的重大故障，严重影响医院工作计划安排。西门子磁共振匀场、除冰、更换冷头和梯度线圈等具有危险性的维修，都要降场操作，维修完毕后需重新励磁。笔者从励磁原理出发，结合励磁过程中监测数据，揭示励磁过程中相关的影响因素。同时通过分析励磁过程中有代表性的实际问题，说明失超虽为不可控因素，但可通过励磁前检查及相关必要准备，降低失超风险。