醫院MRI室氦氣泄露模擬

李 席，嵇文靜，歐陽翠，孫蕭蕭，周 密,，許曉光

(1.蚌埠學院材料與化學工程學院，安徽 蚌埠 233030；2.南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094；3.安徽祥源科技股份有限公司，安徽 蚌埠 233030)

0 引言

磁共振成像(MRI)設備是當前醫院較先進、價格昂貴和需求量大的醫療設備之一，在臨床疾病診療檢測中起到重要作用[1-3]。MRI設備在安裝和正常使用期間，液氦不斷損耗。為了維持液氦容器的液面穩定、防止失超(低于滿液氦面的35%)和保持磁體正常運行，必須定期灌注液氦[4-5]。液氦成本高昂，若發生泄漏，不僅延誤患者檢查，也將大幅度增加醫院使用成本[6]，高濃度的氦氣還會使人窒息至死亡。研究表明，氦氣泄露(占比23.3%)居中國30件MRI設備不良事件類型首位[7]，因此，MRI室氦氣泄露相關研究對企業、醫療機構和監管部門控制MRI設備風險、保障設備高效運行具有重要意義。

吳偉等[8]通過研制一種用于800 M定量核磁共振儀的氦氣回收系統，實現循環使用氦氣(液)、節省成本約10萬元/年。祁云等[9]開發了MRI低溫超導磁體冷卻系統，達到減少約50%的液氦用量的目的。劉炯[10]認為大型醫院可安裝統一的氦氣回收系統?，F有文獻側重于MRI設備的氦氣回收，較少涉及MRI室氦氣泄露。

鑒于開展MRI室氦氣泄露的實驗研究存在條件受限等問題，本文用Fluent模擬研究了泄漏口直徑、波導窗位置和個數等因素對醫院磁共振(MRI)室氦氣泄露擴散的影響，以期為氦氣泄漏事故預防及處置、設備管理提供參考。

1 計算模型

1.1 基本假設和控制方程

為了簡化分析，假設MRI室氦氣泄露過程無熱量傳遞，不發生相態變化及化學反應，泄漏速度不變。氦氣泄露擴散遵循的基本方程包括連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程等，湍流模型用標準k-ε控制方程[11-14]。

1.2 初始條件

建立二維MRI室物理模型，如圖1(a)所見，6 000 mm × 3 900 mm[15]，距離MRI室底部1 000 mm，有直徑20 mm泄漏孔，泄漏孔對側有門，距MRI室地面2 200 mm，MRI運行時，門關閉。距門1 000 mm處有寬300 mm波導窗，即距泄漏口所在邊4.7 m。下面研究波導窗位置對MRI室氦氣泄露擴散的影響，圖1(b)為波導窗距離泄露口所在邊1 000 mm時的物理模型，圖1(c)為2個波導窗的物理模型。為了進一步研究氦氣泄露擴散對人的影響，在計算區域設置監測點，測點所在高度1.5 m[16]，測點坐標為(1.0,1.5)、(3.0,1.5)和(5.0,1.5)。模型網格采用四邊形網格，泄漏孔附近網格最大尺寸1 mm，其余區域網格最大尺寸20 mm。計算時波導窗為壓力出口，泄漏孔為速度進口，速度5 m/s，其余邊設定為墻壁。

(a)波導窗距離門1 000 mm

(b)波導窗距離泄露口1 000 mm

(c)2個波導窗

2 模擬結果與討論

2.1 泄露口直徑的影響

圖2和圖3是泄露口直徑分別為20 mm和50 mm的醫院MRI室氦氣泄露不同時刻擴散空間分布圖，圖4為不同監測點氦氣質量分數變化曲線。由圖2和圖3可知，泄露口直徑由20 mm增至50 mm時，在相同時間內，氦氣釋放量增大，氦氣初始泄露射流距離增大，擴散過程中形成氣云面積和擴散范圍均增加，受空氣阻力和重力等影響形成渦旋現象愈加明顯，氣云擴散至地面時間縮短。

根據氦氣安全技術說明書，高濃度(約6.7%)氦氣使空氣中氧氣濃度下降至19.5%時，人會頭暈、失去知覺甚至死亡。結合圖4可知，泄漏口直徑由20 mm增至50 mm時，氦氣至不同測點所需時間縮短。除了靠近泄露口處，距離泄露源越遠，達到使人致命的氦氣濃度所需時間越短，危險性越大。

(a)2 s

(b)30 s

(a)2 s

(b)30 s

(a)測點1

(b)測點2

(3)測點3

2.2 波導窗位置的影響

圖5為波導窗距泄露口1 m、泄漏口直徑20 mm的醫院MRI室氦氣泄露不同時刻擴散空間分布圖，圖6為不同監測點氦氣質量分數變化曲線。由圖2和圖5可知，波導窗位置距泄露口的距離1 m時，氦氣泄露擴散過程中向波導窗靠近趨勢顯著，氦氣云在水平方向傳播變緩，氦氣云向MRI室底部擴散趨勢變弱，計算時間范圍內基本沒有接近地面，波導窗與泄露口附近區域氦氣濃度更高。分析圖6可知，隨著波導窗位置距泄露口的距離減小，除了靠近泄露口附近(測點3)氦氣濃度顯著增加之外，其余測點處相同時刻氦氣濃度均降低；距離泄露口越遠的測點，到達使人危險的氦氣濃度所需時間越長，安全性增加。

(a)2 s

(b)30 s

(a)測點1

(b)測點2

(3)測點3

2.3 波導窗個數的影響

圖7為2個波導窗時、泄漏口直徑20 mm的醫院MRI室氦氣泄露不同時刻擴散空間分布圖，圖8為不同監測點氦氣質量分數變化曲線。由圖2、圖5和圖7可知，醫院MRI室有2個波導窗時，初始階段，氦氣泄露擴散向泄露口附近上方擴散趨勢顯著，在水平方向傳播變緩，隨著時間增加，氦氣云向醫院MRI室地面擴散，擴散過程形成的氣云面積較小。分析圖6和圖8可知，有2個波導窗時，距離泄露口近的位置(測點3)與2.2節情況類似，而距離泄露口較遠的位置(測點1和測點2)，在計算時間范圍內，氦氣濃度均低于危險值，安全區域最大，

(a)2 s

(b)30 s

(a)測點1

(b)測點2

(3)測點3

3 結論

(1)泄漏口直徑增大，相同時間內氦氣釋放量和初始泄露射流距離均增大，區域內渦旋現象愈明顯，氣云擴散至地面的時間縮短。除了靠近泄露口處，距離泄露源越遠，達到使人致命的氦氣濃度所需時間越短，危險性越大。

(2)波導窗位置靠近泄露口時，氦氣泄露在水平方向傳播變緩，氦氣云向MRI室底部擴散趨勢變弱，距離泄露口越遠，到達使人危險的氦氣濃度所需時間越長，安全性越高。

(3)醫院MRI室有2個波導窗時，擴散過程形成的氣云面積較小。距離泄露口較遠的位置，氦氣濃度均低于危險值，安全區域最大。