【作 者】刘 炯

上海市医疗器械检测所，上海市，201318

1 磁共振成像系统概述

通常按磁体类型对磁共振成像设备进行分类，有常导型、超导型和永磁型三种。磁体的性能直接关系到磁场的强度、均匀性和稳定性，并影响图像质量。常导型磁体用铜、铝线绕成通电螺线管来产生磁场，磁场强度最高可达(0.15～0.3)T。由于常导型磁体的能耗高、场强低和附带的冷却设备复杂等缺点，现在已基本退出了主流市场，只在一些特别的领域（开放式术中磁共振领域）内有一些应用。

永磁型磁共振成像设备的磁体是由两块巨大的磁石组成，磁石用钕、铁、硼等磁性物质制成的磁砖叠加而成，磁场强度最高可达0.5 T。每块磁石的重量数以吨计，0.5 T的永磁型磁共振的磁体的总重量接近40吨。永磁型磁共振成像设备价格便宜，维护成本低，图像质量基本能满足临床需求。但是，它对高端的应用就不能实现了，而且对于珍贵的稀土材料消耗巨大。

超导型磁共振成像设备的磁体复杂，线圈用超导线绕成，磁场强度一般为(1.0～3.0)T，用液氦冷却，利用数百安培的大电流在超导线圈中运行来产生磁场。其优点是较强的主磁场强度，很好的磁场稳定性和均匀性，且匀场区域较大。因其比其它磁共振成像设备具有更高的信噪比、更高的分辨率和更灵活先进的临床应用等特点成为高端医疗诊断设备。在过去我国只能生产永磁型磁共振设备，超导磁共振成像系统完全依靠外资背景的供应商提供。这两年，随着超导磁体生产工艺技术的突破和稀土资源节约意识的增强，拥有我国自主知识产权的超导型磁共振成像设备开始出现。

但是超导型磁共振系统制造工艺特别复杂，运行环境要求特别高，而且超导磁体本身就存在着一些需要仔细考虑才能避免的安全风险。现行的国际标准和国家标准仅仅将超导磁体的安全特性放在超导磁共振成像设备内部进行笼统的考虑，并不能非常有效的促进企业对安全措施的实施和管理。本文将分析超导磁体的关键安全风险点，并且讨论基于型式检验时应进行的试验和认证。

图1是超导磁体的结构简图。超导磁体的主要关键部件，是用于产生主磁场的超导线圈和减少磁场外泄的屏蔽线圈，超导线圈和屏蔽线圈都是由超导线材紧密绕制而成，他们连同支架一起浸没在液氦内，工作在接近绝对零度约-270℃的超低温下。整个液氦容器与磁体壁真空隔离，之间有两层冷屏，用于减少热传导。但是随着绝热技术和真空技术的发展，先进的超导磁体已经减少了冷屏。

图1 超导磁体结构简图Fig.1 Structure of superconductive magnet

冷头连接氦气压缩机，氦气压缩机能产生液化挥发出的氦气所需要的低温，可以把它简单地理解为一个超低温制冷机。液氦的挥发是不可能完全避免的，所以需要一组非常复杂和精心设计的阀门来有效的控制氦气的挥发，用来确保整个磁体内部的压力不超过设计压力。

在某些情况下，超导磁体会失超，会在几分钟内产生大约900 m3的气化氦气，这时就需要失超管路和阀门组的高效工作，将这些氦气高速排出。否则，温度极低的氦气将会冻结一切（包括空气），导致重大人员冻伤亡事件，磁体也会在巨大的氦气膨胀压力下发生爆裂等严重事件，所以超导磁体的安全性应予特别关注。

2 超导磁体的安全性

依据GB9706.1-2007标准规定的医疗设备的安全性要求，我们需要应用通标中的如下一些章节考察超导磁体的安全性：第45章—压力容器和受压部件；第三篇—对电击危险的防护。需要特别指出的是，目前GB9706.1-2007和YY0319-2008 对磁体内部的结构应力的考察，以及对于失超时的保护措施试验没有特别的针对性，是原则上的要求。

2.1 失超的安全性

2.1.1 失超的简单过程

所谓失超（quench），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。这是一个将电磁能量转换为热能的过程.失超永远是超导磁体的一个严重问题.

超导磁体是在极高的电流密度下工作的，又处于超低温环境，稳定运行过程中会受到各种扰动，包括机械扰动、超导线内的磁通跳跃、电流引线和仪器测控引线等引起的热扰动。当超导线圈受到这些绕动后，磁体内部这些受到扰动的超导线材会失去超导电性，也就是说使原本处于超导状态的这些超导线材有了电阻。该局部电阻的出现，又会使磁体内超导线圈的电流下降、产热增多，从而形成正反馈。可见失超的发生是一个非稳态过程，逆转困难。失超可破坏线圈的绝缘，又可熔化超导体，严重时将破坏整个磁共振成像系统和患者环境，造成严重危害。如果失超所产生的热能在整个磁体内均匀分布，并且合理的加以控制，则它造成的危害并不是很大。但是，一旦失超发生，并局限于局部，则会导致严重后果。

2.1.2 降低非预期失超概率的措施

为了增加超导线圈抵抗热扰动的能力，磁体设计中一般采用附加的稳定方式，来增加超导磁体的可靠性。

总体上超导磁体有全稳定和绝热稳定两种[1]，两种方式的主要区别在于超导线材中铜基体的组份的不同。超导线材的种类很多，医疗磁共振成像设备中常用的是基于铌（Nb）钛（Ti）的二元或三元复合合金组成（也有Nb3Sn，NbZr等合金，但不常见），将NbTi嵌在铜基体上。

全稳定方式常用于贮能在(l08～109)J以上的工业电力储能磁体，其超导线材中的铜基体组分较高。在超导线材中加入足够数量的铜或铝等稳定材料，超导状态时电流在铌钛合金内流动，超导体失超时铌钛合金的电阻和铜的电阻接近，铜组份起电流旁路作用，同时也起散热作用。这样电流不会使超导线材大幅升温，超导线材逐渐降温，最终重新回到超导态。即使局部导体失超，失超区也只会缩小，不能传开。这种磁体非常稳定，但造价却很高。医疗的磁共振成像设备中采用较为廉价的绝热稳定式。这种磁体超导线材中的铜组份比上述磁体要少，因而它只能承受小的扰动，其稳定性能要差些，失超的可能性大。

2.1.3 失超的利与弊

超导磁共振成像系统中的磁体的失超大多发生在励磁过程中。处理不好的线圈在线匝之间存在微小空隙，励磁时在电磁力的作用下，这些匝线可能发生突然移动。当励磁过程中线圈整体受到的径向或轴向挤压力，在大到足以导致线圈开裂时，变形能的释放将转化为热能而引发失超，所以励磁时电流要缓慢增加。

实际上励磁过程是磁共振安装过程的一部分，而且往往是在医院里完成的。在本文后面的论述中我们知道，一台1.5 T超导型磁共振成像系统失超时，最大可能在短时间内产生大约900 m3的低温氦气，这些氦气如不及时排除（例如磁共振系统因为未完全安装好导致失超管路未能完全就位达标，或者失超管路阻塞），会冲入医院其他病区，给众多医生病人带来不必要的风险。

超导线圈是浸泡在液氦中工作的。如果磁体低温容器中的液氦液面降到一定限度仍未按规定补充，也会发生失超。所以，液氦液面降低的自动报警系统，励磁电流的控制应该是超导磁体监控的一部分，同时也应该成为认证和检测中的一个方面。

需要指出的是，失超不是只有危害，失超也是磁共振系统的一种重要功能。每一个超导磁共振成像系统都备有一个可以随时启动的失超开关，用于操作者在紧急情况下快速关闭超导磁共振的强磁场，解救患者脱离强磁场。失超是最有效的关闭磁场的方法，一般发生失超后，磁场在20 s内就将降低为0 T，而一般的电流引出法的降低磁场的操作需要几个小时。所以一台超导磁体从生产出来到励磁成功，直到正常使用往往会发生一次甚至多次失超。特别是对于我国生产技术还在提升过程中，磁共振成像系统的失超不是一个小概率事件。

所以我们并不是惧怕失超，我们应该采取措施使得失超的发生不会带来严重的后果，即使失超发生，整个系统也应都处在完全可控的状态。这就需要进行本文下述一些内容的讨论。

3 压力容器安全

超导磁体在正常工作时，内部压力不大，整个超导磁体更像一个低温容器而不是一个压力容器。一般而言，超导磁体都会装备有一个小于1psi（1psi约为6.9 kPa）的单向阀，用以确保液氦正常挥发，维持磁体内的正常工作压力。由此可见，正常工作的磁体内部虽然是低温容器，但压力不大。但是，一旦磁体失超，超导线圈内部的储能将足以蒸发所有的液氦，这时磁体内部压强大增。

我们可以合理而简单的将超导磁体简化为一个大的螺线管，其存贮的能量可以利用如下一些公式加以简单的定量计算。

其中E是存储在磁体中的能量，L是磁体的电感，I是磁体内的超导电流。

其中n是单位长度磁体线圈的超导线匝数，V是磁体线圈内的体积，μ是磁导力。

其中B是磁场强度。

一般而言，一个典型的1.5 T的超导磁体的电感值为20 H，电流值为600 A。这样我们可以估计出一个1.5 T的超导磁体储存的能量：E=3.6×106J。当然不同的厂家的磁体的近似电感值不一样，但是储能都是在 MJ量级。

而液氦的蒸发潜热仅仅为e = 2.177×104J/kg，密度ρ=0.124 kg/L。这样利用(1)式的结果，一个1.5 T的磁体所储存的能量可以蒸发的液氦为：

可见失超时，线圈的能量迅速泄放所产生的热量，足以使磁体内的数千升液氦在数分钟内剧烈蒸发，一般1 L液氦膨胀到室温下的氦气可以扩大到700升。可见最终的氦气可以达到惊人的900 m3（即：1333 L×700=933100 L）作为比较，水的汽化潜热高达2257000 J/kg，不难计算出上述磁体的储能只能气化1.6 kg的水，也就只有一个中等可乐瓶的大小。所以氦气某种程度上是容易爆炸的，国际上也有超导磁体爆炸的报道。

由于失超是超导磁共振成像系统可能发生的一种状态，也是允许医生通过启动失超开关来达到一定的紧急避险功能，所以失超状态应该被看成是超导磁体的另一种正常功能的状态。按照GB9706.1-2007中45章的要求，超导磁体应该进行压力试验（水压或者气压试验），其基准压强的选取应参考失超时可能出现的最大压强。一般而言，超导磁体安装有4 psi～26 psi的多个爆破片，所以最大的爆破压强可以作为一个最低的基准压力来进行压力容器检验，确保在失超时超导磁体本身不会破裂。

4 机械应力安全

超导磁体线圈本身是一种相对粗短的线圈，在绕组内的磁场不仅有轴向分量，而且有径向分量。轴向磁场产生的电磁力要使线圈向外膨胀，导线材料应该具有足够的机械强度，它的极限强度必须高于线圈绕组内的最大周向应力。通过简单的假设，我们可以采用载流圆导线在磁场中的张力公式来估计超导线材自身张力的大小：

T=RIB≈450 N，其中电流I 估计为600 A，磁感应强度B一般为1.5 T，半径R一般估计为0.5 m。但是需要指出的是：一般超导线材的截面积只有不到8 mm2。在如此小的截面积上，在低温下要保证持续450 N的应力。这也是需要认证的重点之一，建议机械应力的安全系数至少达到GB9706.1-2007 中第28章中的要求。

超导线圈往往由多个亥姆赫兹线圈组成，每一个线圈是由几百匝超导线材绕制而成，在磁场作用下，整个线圈由两端向中间挤压，在线圈各个部分内产生轴向压缩应力。利用电动力学，可以推导出载流圆电流在磁场中的力为[2]：

5 电气安全

超导磁体的失超会导致磁体内部出现高压危害。失超后超导磁体内部产生电阻，超导磁体的运行电流一般处在600 A甚至更高，利用欧姆定律可以很容易知道在磁体内正常电阻区可能会产生几百甚至几千伏的电压，这样的电压可能会在磁体内部产生电弧而破坏绝缘。具体而言这些过电压分为以下几种。

(1)最大内电压 失超过程中超导磁体内部任意两点之间的最大电压差，有些研究者也称最大内电压为对地电压。该电压对应于磁体工程设计中线圈与骨架之间的绝缘。

(2)层间电压 失超过程中磁体内部任意相邻两层之间的最大电压差。该电压对应于磁体工程设计中的层间绝缘。

(3)匝间电压 失超过程中磁体内部任意相邻两匝之间的最大电压差。该电压对应于磁体工程设计中的匝间绝缘。

超导磁体对上述的这些电压的耐受力是需要在型式试验中加以验证的，文献[3]提出了耦合磁体失超保护系统的基本要求，并且指出耦合磁体的失超保护系统要保证失超起始点温升不高于 350 K，线圈最大内电压低于 1500 V，线圈层间电压低于 500 V。这些电压的最高预期值应该成为超导磁体的基本安全性能，参考GB9706.1-2007中关于隔离的要求，测试时应以此为基准电压检验磁体的电介质强度、爬电距离和电气间隙。

6 超导磁体中的安全失超保护技术

利用电子线路的巧妙设计，可以尽量将失超时的能量快速地均分，避免在局部释放过多能量，这样可以有利于保护磁体，降低风险和危害。一般来说，现在常用的电子电路技术有主动防御型和被动防御型两大类，这些电子电路的技术是超导磁体的关键安全措施。

6.1 电子电路技术保护原理

6.1.1 外接取能电阻保护是一种最简单的失超保护方式，其结构如图2所示。线圈励磁和正常运行时，S1n到Snn打开，电流不流经取能电阻。当检测到失超发生时，S1n到Snn闭合，电流流经取能电阻，部分磁体储能将释放在该电阻上。这种方式是一种主动防御型方式，有效性依赖于失超探测的灵敏度和开关开合的速度。

图2 失超保护电路（取能电阻法）简图Fig.2 Protective circuit of quench (energy release method)

6.1.2 次级耦合线圈失超保护结构如图3所示。磁体I2失超后电流降低便会在次级耦合线圈I1产生感应电流，因而R1能吸收超导磁体的一部分储能，从而降低超导磁体内部的最高温升和内部过电压。特别是次级耦合线圈由于感应电流的产生而温度上升，当次级耦合线圈与超导磁体的线圈绕组有良好的热接触时候，可能会引起与其相邻的附近线圈未失超部分失超，从而加速超导磁体内的失超传播，进一步保护磁体。由于这种方式不依赖于电子开关，所以是一种简单的被动防御型方式。

图3 失超保护电路（次级耦合法）简图Fig3 Protective circuit of quench (secondary side coupling method)

6.1.3 将上述方法加以改进，可以得到线圈分段保护结构电路，如图4所示。失超后分段保护为失超磁体电流提供了另外一条支路，失超时产生的电势差分流了磁体的电流，从而降低了磁体温度，保护了超导磁体。当线圈某一段失超时，并联在这一段的外部电阻会使线圈此段电流迅速降低，同时产生的电流用来加热其他线圈，引起其他段线圈失超，从而加速了整个线圈内失超传播过程，保护了超导线圈。这些电阻也可以引发分段线圈内新的失超区，加快线圈内失超传播，保护超导磁体。

图4 失超保护电路（分段保护法）简图Fig.4 Protective circuit of quench (subsection protection method)

7 市场准入前的型式检验的相关建议

上述的一些典型的磁体保护电路还需要在应用中考虑如下一些关键点：

(1)选取合适的移能电阻 如果使用了该种电阻，那么应该作为安全关键件在检验中记录相关信息。

(2)保证信号线连接和失超保护电路的可靠性，包括长时间的低温下工作，应选取有相关认证的元器件，并且保护电路应该加以实验。

(3)电子重迭保护，做到每个线圈有两路以上保护信号（利用失超传播的特性，保护系统相邻线圈之间还可以互相监视）。这些信息应该作为重要的安全资料加以保留或提交。

(4)备份保护方案，比如利用冷却流体压力作失超信号，这样可以在电子技术不足以保证安全的情况下，还能利用热力学技术加以保护。这些信息应该作为重要的安全资料加以保留或提交。

(5)突然停电，或者电池电力不足导致的超导保护电路失效，甚至导致紧急情况下的失超启动开关都不能工作。建议在说明书等重要文件中向磁共振成像系统的用户提示这种风险的存在。

(6)超导开关的错误启动引起的非正常失超，应该在技术上设法防止这种情况的发生。建议在型式检验时，按照单一故障的标准原则加以适当的考虑。

8 失超排气管道的安全措施

超导磁体的失超排气管道的畅通和足够的排气量，是磁体失超时和失超后的安全保证，特别是保证磁体在失超后仍然完好，并通过再次补充液氦和励磁后恢复使用具有极端重要的作用。所以，认证时，应该重点对如下一些关键点加以记录，并考虑备案：

(1)失超排气管道的尺寸，管道长度一般应≤20 m，不得多于2个弯头[4]。

(2)当管道(如果有回收系统，也应包括回气管)穿过RF射频室时，不能形成天线，应该注意互相绝缘。

(3)应该采用合理的风帽结构，防止异物或沉积物的产生。

(4)应安装失超排气管道的自动定时检测系统，可以通过模拟送气并测量气压或流量的方式,定期测量失超排气管道的排气能力。

(5)管道使用的单向阀和爆破片应该有相应的认证。

9 氦气的利用与回收

9.1 氦气应用的广泛性与稀缺性

氦是无色、无味的气体，是最难液化的气体，也是世界上最后一个被液化的气体。其熔点为-272.2oC，沸点为-268.9oC，属于稀有气体，它在地球上的含量只有一亿分之一。氦在大气中的含量也极少，大约只有百万分之五。氦气在有些地区的天然气中含量却较高，个别甚至高达2%以上.因此目前全世界生产的氦气绝大多数都是从天然气中提取的。氦气是一种惰性气体，不易与别的化学物质发生反应，因此氦气在飞船发射、导弹武器工业、低温超导和半导体生产等方面具有重要用途，是一种极其珍贵的稀缺资源。

中国近年来对氦气的需求量越来越大。但是受制于氦气资源匮乏、提取氦气的成本较高（我国天然气中的氦气含量只有0.2%），现在我国MRI中使用的氦气基本依靠进口。每升液氦的价格大约为200元，一台超导磁共振磁体中有大约1000升液氦，总价超过20万元。

相比之下，美国的氦气资源十分丰富.地球上80%以上的氦资源分布于美国，美国的天然气中氦气的含量高达7.5%。早在1963年，为了不让作为燃料使用的天然气中的氦气浪费掉，美国政府就推行了一项氦气保存计划.经过多年的开发和保存，美国成为世界最大的氦气拥有国。世界最大的氦气生产商是美国国家氦气储备公司。

9.2 失超产生的氦气应该回收

超导磁共振成像系统中的氦气是高纯度（99.9%以上）的氦气，价格十分昂贵，液氦价格昂贵是超导磁共振系统运行费用高的主要原因。所以现在世界上对于氦气普遍采用了回收的方式加以利用。回收方式简单地说就是将挥发的氦气收集起来重新加压冷却成液氦。氦气回收是一个复杂的大系统，包含收集管路、储气装置和液化装置等。

虽然回收系统复杂，但我们认为随着氦气资源的减少，回收系统不应该仅仅存在于超导磁体制造商的工厂里。一些大型医院里的超导磁共振成像设备很多，而且随着时间的推移，设备的老化，氦气蒸发量也会加大，磁共振设备的氦气会多次填充，失超也会发生，所以建议大型的医院也可以安装统一的氦气回收系统。

10 总结

随着我国经济的发展，人民对于高端医疗装备的需求大幅增长，且随着超导技术的日臻完善，我们正在迎来超导磁共振成像设备全面普及使用的时代。现在全国的磁共振系统生产商都已经纷纷转向超导产品，在不久的将来，超导型磁共振系统不再是国外医疗巨头的专利产品，我国自主研发的超导型磁共振系统也将大量投放市场。但是，如果没有针对超导型磁共振系统的特点和超导磁体的风险点，制定出专门的标准架构，将不利于规范超导磁体的生产。虽然，一般而言超导磁体是安全，但是一旦磁体失超，风险和危害都是巨大的。本文立足于现在的标准体系，考虑到失超，分别从压力容器安全，机械应力安全和电气安全几个方面考察，讨论了超导磁体的风险点，同时也从安全失超保护电路的角度讨论了对磁体的保护措施和单一故障下的风险考察点。最后还提出了一直被忽视的失超排气管路的安全检查措施的建议。

[1]赵喜平.磁共振成像[M].科学出版社,2004

[2]YY0319-2008: 医用电气设备 第2部分: 医疗诊断用磁共振设备安全专用要求[S].附录BB

[3]M.A.Green,H.Witte.Quench Protection and Power Supply Requirements for the MICE Focusing and Coupling Magnets[R].MICE Note 114,2005,May.

[4]吴远宽.MRI设备氦气放空管道和回收系统的研制[J].低温工程,1995,(1): 17-22.