磁共振制冷系统的维护

      0 引 言

      磁共振设备是医院影像检查的重要设备,虽然成本很高,但因其图像质量好,对人体无伤害而在医疗机构中被广泛使用.不仅三级医院完全普及磁共振,而且许多二级医院都有配置.目前,磁共振设备及应用已成为医院设备技术水平和诊断水平的一种衡量指标.由于磁共振设备易发生的故障是制冷系统故障,所以了解磁共振制冷系统的维护对设备的正常工作和降低使用成本有积极的意义.

      1 磁共振设备制冷系统常见故障及维护

      1.1 磁共振原理

      医学磁共振分为常温永磁性和超导磁共振2种.为了获得高质量的图像,磁共振必须具有一定高的场强,由于超导磁体具有场强高、磁场稳定均匀不受外界温度影响及在紧急情况下可通过人为失超的办法将磁场关闭的优点,因此超导磁体在磁共振中占据了主导地位[1].超导磁共振机装置(MagneticResonance Imaging,MRI)由电子计算机、射频系统、梯度电源系统、自动控制部分、超导磁体及冷却系统等组成,是现代医学影像领域中最先进、最昂贵的诊断设备之一[2].超导磁体是磁共振的主要构成部分,为了使磁体线圈处于恒定的超导状态,磁共振多使用低温超导磁体技术.超导磁共振机使用液氦为制冷剂,因为液氦是已知沸点最低的物质,其沸点为4.2 K,接近绝对零度的低温态液氦能使金属线圈维持超导,电阻值接近于零,这样就可以产生足够大的电流强度而形成电磁场.

      1.2 磁共振制冷系统常见故障

      磁共振维持超导和制冷的装置主要是由冷头、氦压缩机、水冷机及相互连接的绝热软管线组成,均要求24 h不间断地工作.冷头的主要任务是制造冷量,并把冷量传递到保温层,而保温层内部的液氦层则可以利用保温层和外界环境隔绝,降低液氦的热挥发.冷头一般有2个冷屏,通过两极缸套端面的铟垫圈将冷量传输到这2个冷屏上,并提供4KP42K两级低温,而冷头在制冷过程中产生的热能则通过和氦压缩机相连的连接管传给氦压缩机,而压缩机工作时产生的热量和冷头带回的热量都靠水冷机来降温.冷头由驱动电机、旋转阀、配电盘、活塞和气缸组成,通过驱动电机控制旋转阀在配气盘上旋转来控制活塞压缩和气体膨胀,从而形成高压气体腔和低压气体腔的交替循环.旋转阀在配气盘上旋转的声音,也是常说的冷头声音.通过声音的改变也能初步判断冷头的工作状态,如较正常声音低,则说明冷头功率可能降低,需要及时更换冷头;如正常声音中夹杂了其他声音,则有可能冷头压力过高,出现溢压保护;如没有出现冷头声,则表示冷头停止工作,液氦会迅速损失,则必须马上查明原因,恢复冷头工作状态.虽然磁体采用多层真空绝热结构,但由于结构支撑和空间分布等原因,不能阻止热传递和热辐射,液氦会因吸收热量而蒸发.正常情况下,冷头和氦压缩机共同组成二级膨胀机系统来维持磁体的低温,抑制液氦的热挥发.

      通常,磁共振制冷系统的故障主要出现在冷头的运转上.在冷头处氦气迅速膨胀带来的低温是冷量的根本来源.当冷头停止工作时,磁体的温度会迅速上升,液氦挥发量增加,液态与体态的体积比为699,因此当磁体空间容量不足时,氦气就会损失,更严重的是发生失超现象,导致严重的经济损失.冷头停止工作是由于压缩机停电造成的,此时不能听见冷头工作的节律声.冷头的温度上升,2个冷屏的温度也分别上升,其上升幅度略超过冷头.在冷头停止工作后,液氦随着受热蒸发,压力增高.当液氦压力达5.5 PSI时,2个冷屏温度分别上升141 K和115K,冷头的温度也从正常值4 K上升到103 K,此时的辐射漏热会导致液氦的迅速挥发,所以需要及时恢复供电以解决这类问题.在正常恢复供电后,还需密切关注设备运行情况.刚恢复供电时冷头压缩机的压力常高于正常值0.01 mPa,冷头和冷屏的温度都高于正常值,在这种情况下建议暂不进行工作,因为设备运行后,随着梯度放大线圈的运作,磁体会进一步升温,液氦蒸发量会增加,极有可能导致失超.所谓失超就是超导体因某种原因突然失去超导特性而进入正常态的过程.超导体是在极高的电流密度下工作的,又处于超低温环境,因此,同一般系统的稳定性和机械应力一样,失超永远是超导磁体的一个严重问题[3].在冷头压缩机重新工作1.5 h后,此时冷头的温度降到正常值4 K,冷屏的温度也降到正常值,冷头压缩机的压力恢复正常,尽管此时液氦的压力还比较高,但做检查还是比较安全的.当然,要液氦压力完全恢复到正常值(3.9~4.0 PSI),依赖冷头的工作效率和液氦的蒸发量,有时可能需要几天的时间,而在液氦压力超过5 PSI时,设备中的溢气阀就会放气,将导致液氦的损失.

      冷头压缩机停机主要是医院电源故障和水冷机故障造成的.水冷机是频繁起停的大功率部件,但易受外界的干扰,如打雷或其他大功率设备的使用都易造成水冷机工作异常.由于水冷机负责氦压缩机制冷,其故障会导致压缩机因热保护而停机,并影响冷头工作,所以日常的设备检查和记录是必需的.氦压缩机的正常运作是保障系统制冷的关键.氦压缩机通过2根绝热管和冷头相连,一根接受冷头产生的低压高温氦气,一根为冷头输入高压压缩氦气,通过不间断的氦气循环,为磁共振磁体冷屏提供冷量,以减少液氦的挥发[4].氦气压缩机的润滑、密封和冷却都会使用油.当压缩机将氦气由低压压缩到高压时,这样的氦气温度非常高,因此氦气会被输往压缩机,进行热交换使氦气温度降低,同时氦气压缩机带出来的油雾也会随着温度降低而变成小油滴,氦气经过热交换后再连续通过2个油套,从而更多的油分离出,然后氦气再通过毛细管道输回到压缩机中.经过2个油套后的氦气中仍会含有少量的油气,当这些杂质进入冷头后就会凝固,导致活塞急剧磨损,所以在油套后安装了油滤吸附器.吸附器主要成份为活性碳,一般油滤吸附器吸附量比较大,但为了防止油滤吸附量饱和,保证液氦气的纯度,一般2年左右需更换一次油滤,油滤更换后冷头制冷效率明显提高了.冷头由于需要24 h不间断地工作,活塞和气缸的长期摩擦会导致气密性减低,功效减弱,制冷量下降,从而冷头不能有效地控制液氦的蒸发.若液氦消耗增加,说明在磁体冷却系统中有氦气泄漏[5].管网系统的故障则比较隐蔽.如氦压缩机和冷头相连的绝热管子,分为高压和低压管,外面有金属层包裹,管子内预充一定压力的液氦.管子长期使用后,由于金属的锈蚀和自身的硬化,可能会出现漏气现象.在冷头压缩机的压力表上,可观察到mPa值低于正常值0.05以上,导致氦压缩机功率不足,影响冷头的制冷量,制冷效率降低.而液氦热挥发使气体压力增大,当液氦压力超过5 PSI时,氦气突破磁体的溢出阀保护后释放到空气中,避免了磁体因液氦沸腾而失超,但也造成液氦的损失.

      1.3 磁共振制冷系统的维护

      为了维持磁共振制冷系统的正常运行,需要定期更换冷头、冷头压缩机的油滤这类功能性部件,同时,要密切观察冷头的运行状态,日常记录液氦水平及磁体的液氦压力值.一旦发现异常必须及时处置,从而减少或避免液氦的损失,降低使用成本,提高设备的维护水平.

      2 结 语

      只有磁共振制冷系统正常工作,才能保证梯度线圈处于超导状态,所以磁共振制冷系统的工作状态决定磁共振机能否正常使用.工作人员需要掌握并了解磁共振制冷系统的工作原理和工作流程,特别是在制冷系统出现故障时正确的处理方法,才能在制冷系统失效时能迅速有效地解决问题,让设备恢复正常工作,这不仅能减少因温度变化造成的液氦损失,而且能保证医院设备的开机率,不影响病人的检查.因此,磁共振制冷系统的维护好坏,与医的经济效益和社会效益密切相关.医务人员在工作中要注意其细节变化,早发现问题,早处置问题,尽量保证磁共振设备的正常运转.

      参考文献:

      [1]万华军,黄政权.Siemens Symphony MRI维护及故障排除[J].医疗卫生装备,2008,29(2):116.

      [2]李晓强.超导磁共振低温制冷系统的原理及维护[J].中国医学装备,2009,6(4):49-50.

      [3]赵喜平,郑崇勋,赵海涛.超导磁共振成像系统中的低温技术[EBPOL].[2012-01-01].http:PPmd.tech-ex.comPht-mlP2012Particle 0101P1750b.html.

      [4]唐庆顺.超导型核磁共振关键设备--冷水机组与BCC氦气压缩机的工作原理与维修[J].核电子学与探测技术,1994,14(6):378-380.

      [5]梁力,张锁旺,孙少杰.MRI氦气泄漏的检测[J].医疗设备信息,2001,12(1):54.

      作者简介:欧阳宇(1968--),男,工程师,从事医用设备维护工作.