磁共振勵磁過程中失超的風險因素分析

【作 者】王宏杰，金錦江，王立堅，褚永華

浙江大學醫學院附屬第二醫院，杭州市，310009

0 引言

磁共振以其特殊的成像優勢，在病人病情檢查中發揮著越來越重要的作用，但由于自身成像速度限制，目前大醫院磁共振都需要預約較長時間。而磁共振一些有危險性的維修，比如冷頭更換、重新勻場、磁體除冰、梯度線圈更換等維修時，需要降場操作。維修完畢后，勵磁過程是否順利，直接決定磁共振能否按計劃投入使用，一旦失超，需要重新補充液氦，恢復時間漫長，嚴重影響醫院病人安排，容易出現矛盾。因此分析勵磁過程中的影響因素，減少勵磁失超有著十分重要的意義，筆者以西門子磁共振為例進行分析，由于西門子磁共振勵磁相關的設計具有相似性，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等西門子主流磁共振。

1 西門子磁共振勵磁原理

磁共振磁體內部由主線圈、主動屏蔽線圈、Switch Heaters、Quench Heaters、EIS Switch等組成[1]。當磁體勵磁時，外界控制電路加熱Switch Heaters 使其處于斷開狀態，從而使磁體內外部連通。Switch Heaters是一種可加熱超導開關，當此超導開關處于超導狀態時，磁體內電流通過超導開關在主線圈和主動屏蔽線圈內部進行循環，電流內部循環，如圖1所示。當超導開關被加熱后，磁體內部電流無法通過超導開關進行循環，此時，勵磁電源提供的外部電流可通過磁體正負電極與超導線圈連通，電路外部連通，如圖2所示。

圖1 電流內部循環Fig.1 Internal current loop

圖2 電路外部連通Fig.2 External current loop

2 勵磁過程中相關因素分析

分析數據選取本院MAGNETOM Avanto磁共振勵磁過程，利用NI Labview和多通道數據采集卡每隔2 s進行如下關鍵參數監測：勵磁電源輸出電流；磁體內部壓力；磁體電極溫度；CCR4熱敏電阻電壓變化值。

CCR4熱敏電阻電壓值變化情況最能表征磁體內部穩定性[2]，CCR4電阻位于磁體腔內部靠上位置，無液氦浸泡，其電壓變化值可反應磁體腔內無液氦浸泡的超導線圈部分所處外界環境的溫度變化。通過對勵磁過程數據分析，可得到以下三個主要階段：

階段一：加壓冷卻磁體電極過程。此過程磁體壓力逐步升高，由15.3 psi（1 psi=6.89 kPa）緩慢增加到16.35 psi附近，此時磁體16 psi壓力閥門打開，揮發的氦氣流經磁體電極，起到降溫作用，此過程中電極溫度從約50 K下降到20 K左右。

階段二：Cable test過程。電流緩慢升高至約100 A，通過計算勵磁回路關鍵連接處壓降情況，測試整個勵磁回路是否連接完好，避免出現阻值過大[3]。

階段三：勵磁過程。電流逐步升高，對應電壓呈現緩慢下降過程，磁體電極溫度迅速爬升，此時磁體電極需要不斷揮發氦氣進行冷卻，電極溫度-磁體壓力關系，如圖3所示。

圖3 電極溫度-磁體壓力Fig.3 Current lead temperature-magnet pressure

整個勵磁過程中電流與CCR4熱敏電阻電壓的變化關系，CCR4 熱敏電阻變化（見圖4 ）。隨著電流的增加，CCR4電阻上電壓由1 130 mV下降到1 000 mV左右，其對應于CCR4位置的溫度為上升。CCR4變化越大，說明磁體內超導線圈非浸泡液氦的部分，所處外界環境溫度變化越大，因而失超風險越高。

圖4 CCR4熱敏電阻的電壓變化Fig.4 Thermistor CCR4 voltage change

此外，液氦量與勵磁穩定性也有直接關系，通過對一臺Verio 3.0 T 磁共振近7年的連續跟蹤，此磁共振因為除冰，換冷頭，勻場等先后7次升降場，7次升場（勵磁）前液氦量分別為91.6%、89.2%、84.9%、95.4%、89%、84.2%和50.8%。統計每次勵磁起始液氦與CCR4變化關系如圖5所示。圖中可以看出，當液氦量為50.8%時，CCR4 上電壓變化值185 mV，變化范圍最大；當液氦量為95.4%時，CCR4上電壓變化范圍122 mV，變化范圍最小；當液氦量84.2%～91.6%時，CCR4上電壓變化范圍133 mV～139 mV，變化范圍穩定。

圖5 液氦-CCR4Fig.5 Helium level-CCR4

由以上參數之間的關聯變化及勵磁原理分析可得，由上述過程分析可得電極溫度、磁體壓力、勵磁回路線阻、液氦量都是影響勵磁過程的關鍵因素。降低失超風險，勵磁過程中需注意的關鍵因素如下：

（1）較高的液氦量，不低于60%，以降低磁體腔內部非液氦區域的溫度波動。

（2）磁體內部氣路通暢，從而確保不斷揮發的氦氣能夠對磁體電極和CCR4電阻所在腔體持續降溫。

（3）勵磁回路連接線路接觸良好，減少不必要的熱量轉換和傳遞。

（4）一次勵磁到目標值，避免因超出工作頻率等因素，而進行不必要的額外調整。

3 關鍵風險因素相關問題及處理方法

（1）液氦量檢查。升降場操作會有液氦消耗，如果在磁體降場前發現液氦面較低，建議提前準備液氦，勵磁開始前確保液氦不低于60%。

（2）磁體內部結冰檢查。能否達到所需的高磁體壓力與磁體內部結冰情況關系密切。圖6磁體腔除冰前，所示即為磁體內部結冰，內部結冰阻止氦氣的揮發，從而不能有效對電極和腔體降溫。因此需對磁體腔內結冰程度進行評估，必要時進行除冰處理，圖7磁體腔除冰后，除冰后磁體腔內部氣路通暢。

圖6 磁體腔除冰前Fig.6 Magnet cavity before deicing

圖7 磁體腔除冰后Fig.7 Magnet cavity after deicing

（3）復雜場地環境檢查。多臺相同磁場強度磁共振，緊鄰放置時，容易出現CO-SITE磁共振互相干擾的情況。這種情況對磁共振工作頻率有嚴格要求，因此需確保勵磁目標電流設置準確，從而使場強相同的磁共振，工作在不同頻率段。因此勵磁前需要根據實際場地情況精確計算目標勵磁電流，避免因最終工作頻率不達標進行的二次勵磁。即使相同型號磁共振，每臺磁共振的磁體參數也有差異，具體磁體參數需參考系統自帶文件Installation Data。Installation Data中可查出Operating currentI(A)，Field Current ratioR(kHz、0.1Amp)以及對應的主磁場強度B0（T），由此所需頻率F（Hz）的勵磁電流S（A）可近似計算為：

其中f0為氫原子核共振頻率42.577 MHz/T。

（4）線路連接測試。勵磁電源加載100 A的電流，分別讀取勵磁電源端MPS VOLTS和磁體端MAG VOLTS壓降情況，若壓降過大，則阻值異常，不能進行勵磁操作，需要檢查勵磁回路。測試界面，如圖8所示。

圖8 測試界面Fig.8 Cable test interface

4 總結

磁共振失超是一種常見的、恢復時間長的重大故障，嚴重影響醫院工作計劃安排。西門子磁共振勻場、除冰、更換冷頭和梯度線圈等具有危險性的維修，都要降場操作，維修完畢后需重新勵磁。筆者從勵磁原理出發，結合勵磁過程中監測數據，揭示勵磁過程中相關的影響因素。同時通過分析勵磁過程中有代表性的實際問題，說明失超雖為不可控因素，但可通過勵磁前檢查及相關必要準備，降低失超風險。