MRI基础原理–磁体压力闭环控制系统-器械之心

本篇文章从超导磁体液氦的热交换角度推导出了冷头效率与热辐射效能匹配的冷却概念，从而进一步通过Margin概念的引入，介绍了磁体压力自动控制方法的实现以及控制能力的区别。

上一篇文章老王给大家简单介绍了4K冷头和10K冷头的磁体压力稳定技术的基本原理与实现方法，进而介绍了两种不同冷头对应磁体的内部结构以及不同的控制逻辑。10K冷头磁体的控制相对简单，但是4K冷头磁体的控制就变得比较复杂了，如何精准的控制磁体的压力就体现了磁体设计者的设计功力以及自动控制系统的运行精度了。本篇文章我们进一步梳理4Kl冷头磁体的压力闭环控制方法。

我们先了解一个基本的概念，磁体中的液氦热力学状态，首先我们了解一下热交换的概念，热交换就是由于温差而引起的两个物体或同一物体各部分之间的热量传递过程，热交换一般由以下3种方式：

1. 热传导，在有温度差的条件下，借物体中分子、原子或电子的相互碰撞，使热量从物体中温度较高部位传递到温度较低部位或传递到与之接触的温度较低的另一物体的过程。可以看出热传导需要物体分子或者原子碰撞，也就意味着两种物质有接触，对于超导MR的液氦来说就是液氦与容器金属壁之间的热传导。

2. 热对流，又称对流传热，指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程，其特点是只能发生在流体(气体和液体)之中，且必然同时伴有流体本身分子运动所产生的导热作用。对于超导MR来说，液氦与氦气这两种流体之间存在温度差，因此能够看到的就是底层的液氦温度很低，但是上层的氦气温度较高。

3. 热辐射，物体由于具有温度而辐射电磁波的现象，物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。物体由于具有温度而辐射电磁波的现象。

结合4K磁体的内部结构图，我们就能够比较清晰的看到磁体内部的热交换过程。

首先磁体内部是气液共存的状态，因此内部存在热对流的过程。

由于室温与液氦的温差，因此液氦与金融容器有热传导的过程。

由于磁体的冷屏(金属)与内部液氦容器(金属)中间是真空的，因此无法直接热传导或者对流，只能进行热辐射。

由于4K冷头磁体的特殊构造，在冷头第二级冷芯处冷头直接与氦气接触，因此这里存在一定的热传导过程。

总体来看，在不考虑冷头的情况下，磁体的设计通过冷屏与容器之间的真空，把传热效率最高的热传导过程阻隔了，而液氦与氦气之间的热对流由于没有第三方传热介质，因此不影响内部整体的传热，在这个基础上，液氦与外界环境之间的热交换只剩下热辐射这个单一途径了。

如果考虑4K冷头，由于液氦与氦气之间先要经过热对流，然后氦气在与冷头进行热传导，因此整体液氦与外界环境之间的热交换效果比10K冷头磁体相比会相对高一些，这也是不开冷头的话4K冷头磁体液氦挥发更快的原因。

既然外界环境与磁体内部液氦之间的热传导只剩下效率很低的热辐射，那么增加一个冷头把热辐射效率抵消了就可以保证液氦的消耗尽可能少了，这就是磁体压力保持的理论基础。

对于4K冷头来说，冷头正常工作的制冷效率（Heat Out）高于热辐射带来的液氦挥发效率（Heat In），那么必须要使用闭环控制系统来增加一个热量变量（Extra Heat In），使得系统保持平衡。

而这个Extra Heat In的学名就叫做Margin，根据上一篇文章的学习，Margin是由Bath Heater产生的，从而与冷头的效率对应的公式就变成了：

从磁体内部热力学角度分析就简化成了3个变量的热力学动态平衡。

在动态平衡原理的基础上，叠加闭环控制系统：

通过对变量磁体压力的实时监测，改变Margin从而实现压力的稳定。

那么如果这个控制系统做的没有那么好，或者说对Bath heater施加电流从而产生的Margin得控制没有那么精确会怎么样呢？从自动控制角度讲就叫做稳态误差太大。

在这种状态下由于Margin虽然不能精确控制但是还存在，因此磁体压力会在控制稳态压力上下进行波动变化。

当Bath Heater也损坏的时候，冷头控制下的磁体压力会在一个压力区间往复震荡

由于超导MR磁体的主磁场线圈是一部分浸泡在液氦中，另一部分处于氦气中，当氦气部分的压力产生剧烈变化的时候，是存在一定失超风险的，因此对于磁体压力稳定控制的好坏也一定程度上决定了这个磁体的设计功力及控制能力，从经济角度来讲就是一个词：成本。

MR技术博大精深，本篇文章老王从超导磁体液氦的热交换角度推导出了冷头效率与热辐射效能匹配的冷却概念，从而进一步通过Margin概念的引入，介绍了磁体压力自动控制方法的实现以及控制能力的区别。只有能够精确控制Margin才能够精确控制磁体压力的稳态误差非常小，保持磁体内部状态稳定。

MR技术除了要进行精准诊断精准治疗以外，还可以引入精准管理的理念，比如通过综合数据系统将Margin历史数据进行长时间的记录甚至进行云存储，就能够在需要的时候通过读取Margin的数据追溯还原磁体内部冷头的制冷效率变化曲线，从而更好的管理超导MR磁体状态，通过报表的方式对系统运行端的卓越运营提供设备基础，这也是Professional Service尝试解决的问题之一。