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MRI基础知识 -- 失超(一)

首先照例还是介绍基础知识。

失超(Quench),名词解释是失去超导,这个现象一般指的是超导MRI系统主动、被动瞬间失去超导状态的一个过程。

我们先回顾之前老王讲过的磁体的相关知识,每一台MRI设备内部的核心就是一个超导电磁铁。为了保持磁铁中心的磁场强度均匀,因此磁铁一般做成空心状,超导线圈在中空支架上缠绕。同时为了保证线圈处于超导状态,磁体内部温度需要足够低,目前主流磁体的内部使用液氦作为冷却液,液氦的温度为4.215K, 约等于-269℃。

老王在励磁一节中介绍了为了使主磁场加电流所需要的大致步骤,为了给电磁线圈充电使用了复杂的励磁回路并且使用了专用工具。那么如果对于本身已经有磁场的磁体因为某种原因要去掉磁场怎么办呢?超导MRI磁体有两种方式可以去掉磁场:

1. 退场,指的是同样通过励磁回路,可控的将电流通过加速器(Accelerator,一个很小的电阻,但是叠加了强大的散热系统)缓慢的消耗掉的过程。一般来说超导磁体励磁的时候需要将电击棒插入磁体中,将励磁回路引入主磁场,而励磁结束后将电击棒拔出。如果要退场,也需要重新将电击棒插入磁体。

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退场过程的优点:

a.过程可控

b.液氦消耗比较小

c.对主线圈没有损害

退场过程的缺点:

a.时间较为漫长,1.5T磁体大约需要1.5小时,3.0T磁体大约需要3小时

b.需要准备专用工具

c.一般需要重新将电击棒插入磁体

2. 失超,失超的原理是主线圈中的一段或几段发热导致此处线圈温度上升从而失去超导状态产生电阻,而线圈中流过的大量电流通过这一段电阻后又产生大量的热量加热附近的线圈,从而引发连锁反应最终导致全部主线圈失去超导状态并将电流转换为热量加热液氦。

失超不需要独立工具,依靠磁体自身就可以发生的物理现象,结果是电磁线圈中的电流瞬间消失,同时液氦大量挥发,挥发产生的氦气通过失超管排向室外。失超后需要重新进行励磁才能恢复主磁场强度。

我们知道液氦挥发变成氦气体积膨胀大约700倍,失超后磁体中将近2000L液氦全部挥发变成氦气全部通过失超管排出,大家可以简单计算一下气体排出的流量,因此失超发生后失超管会发生猛烈的低温氦气排放,这也是老王在前面场地准备知识里面不厌其烦的描述诗钞关以及围栏的重要性的原因。

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失超过程的优点:

a. 过程瞬间完成

b.不需要专用工具

失超过程的缺点:

a.过程不可逆,一旦开始只能任其发生

b.失超过程消耗大量液氦。一般情况会消耗掉磁体内全部的液氦

c.失超后需要更换爆破膜(后面专门介绍磁体的章节会详细介绍原理)

d.一般需要经过培训的高级工程师对磁体内部进行除冰操作,此过程需要消耗大量高纯度氦气,并且费时费力(后面章节后面专门介绍磁体的章节会详细介绍原理)。

e.有可能会损坏磁体。

失超分为主动失超和被动失超两种:

1.主动失超,这里指的是按下矢超开关(ERDU-Emergency Rump Down Unit)后发生的失超。前面讲过退场需要长时间的过程,同时还需要专用工具,在紧急情况时(如果不马上退场会导致威胁人生命的情况发生),退场过程所需要的时间显然是不能够接受的,必须要迅速的采取行动,这个时候就需要使用到失超开关。失超开关按下之后会加热磁体中的一个特殊的加热器(Quench heater),这个加热器可以主动的加热一小段主线圈,从而引起连锁反应最终导致失超现象的发生。

 

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    2.被动失超。前面也讲了,实际上主线圈中任何一段的发热如果产生了电阻,那么就会导致连锁反应最终发生失超。那么在实际使用过程中,其实有很多因素都可能被动的发生失超,并且发生被动失超的时候一般工程师都不在现场,爆破膜往往不会第一时间恢复, 这样会导致磁体内部较多的结冰,重新恢复的过程费时费力。被动失超可能是因为磁体内部的原因,也可能是误操作下面大致进行描述:

a.主磁场线圈不够紧固,运行过程中相互间产生了摩擦

b.磁体内结冰,某些因素导致冷头停止工作后冰融化掉落在主磁场线圈上引发热量变化

c. 金属物体吸入磁体引发失超

d. 磁体安全区域内有大质量的金属物体运动引发失超

e. 失超开关实际上就是一个接触开关,两根导线接触就会引发失超。

目前发生过的事故主要有下面两种:

(1).墙面装修打孔不小心直接打到失超线,引发了失超

(2). 老鼠咬失超线引发了失超

请各位老师一定要注意保护好失超开关以及失超线,尤其注意装修和老鼠!!

f. 操作人员或者病人对矢超开关不理解导致误触发

还有一类失超比较特殊,它发生在新装机的励磁过程中。这种失超虽然不是可控的和完全可以预计的,但是由于励磁操作过程工程师全程在场,可以第一时间更换爆破膜,多数情况只需要重新添加液氦就可以重新励磁。而且由于磁体生产和运输的特殊原因,这种失超的发生对磁体日后的稳定运行可能还是有利的,因此老王将其归为第三类,我们将在下一节详细进行描述。

      MR技术博大精深,经过老王的讲解,大家是不是对失超有了一些简单的认识。

其实失超并不复杂,大家也不用害怕,各位操作老师需要做的是尽可能加强MRI使用的管理,避免误操作或者老鼠咬装修等可控的失超发生,也加强管理防止金属物体进入磁体间,同时按照场地要求规范的标准避免大质量的汽车接近磁体安全区域。

其它的情况如果发生失超,我们都可以看做自然现象,没有必要特别紧张。下一节老王将继续介绍失超现象,从磁体的生产运输的角度进一步介绍失超现象,同时介绍失超训练的概念,敬请期待。

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文章名称:《MRI基础知识 -- 失超(一)》
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