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醫療—“液氦”助力核磁共振

時間:2020-07-27 01:44:32 作者:小編 點擊:

核磁共振是一種物理現象,作為一種分析手段廣泛應用于物理、化學生物等領域,到1973年才將它用于醫學臨床檢測。由于氦氣的低溫超導性,它是作為磁共振和核磁共振超導磁體的理想冷凍氣體,氦氣可實現-451華氏度的深冷溫度,有效獲取內臟器官和組織等的高分辨率圖像。 

成像原理:核磁共振機使用較強大的磁場,使人體中所有水分子磁場的磁力線方向一致,這時磁共振機的磁場突然消失,身體中水分子的磁力線方向,突然恢復到原來隨意排列的狀態。反復多次施加磁場又突然消失,核磁共振機會得到充分的數據并運算后成像。

簡單說就相當于用手搖一搖,讓水分子振動起來,再平靜下來,感受一下里面的振動。所以,核磁共振(MRI)也被戲說為是搖搖看的檢查。其中,液氦可是發揮了巨大作用

超導磁體浸在液氦環境中,液氦外邊一層是液氮。液氦的作用是為了維持磁體的超導,以提供所需的磁場環境,液氮是為了在液氦與外界環境之間加一個“隔溫層”,以減少液氦的揮發。

1.5T超導磁共振制冷系統為例講一下其工作原理

 眾所周知,維持超導磁體超導狀態所用的制冷劑是價格昂貴的液氦。一個良好的、穩定的冷卻系統,不僅是超導環境存在的重要保證,而且能大大降低液氦的揮發,減輕磁共振運行成本。

1.磁場的建立

超導型磁體的磁場建立是在超導環境中為超導線圈通電流而產生強磁場的。在理想狀態下,磁場一旦建立,只要維持超導線圈的超低溫環境,強磁場就長期存在。超導材料主要是鈮,鈦與銅的多絲復合線,它的工作溫度為4.2K(-268.8℃)。因此我們必須建立超導環境,將超導材料置于工作溫度4.2 K下。

建立超導環境的過程是首先將超導型磁體的真空絕熱層抽真空,將內部壓力抽至約0.001 Pa,然后將磁體預冷,把液氦容器腔內溫度降到接近4.2K,最后在磁體液氦容器中灌滿液氦,使超導線圈浸泡在液氦中。

因此,磁共振的超導線圈用浸泡在低溫液氦中的方法以獲得其正常工作的超低溫環境,雖然磁體采用了真空絕熱結構,但由于結構支撐等多種因素,不可能完全阻止熱傳導,所以液氦會以蒸發的形式帶出導入的熱量,以維持4.2 K的溫度。為減少液氦的蒸發,磁共振配備了制冷系統,提供降溫減少液氦蒸發。

2.冷卻系統

磁共振冷卻系統是由液氦冷屏、冷頭、氦壓縮機和水冷機組四部分組成。液氦冷屏是磁體的組成部分之一,設有20 K、70 K兩級冷屏,二者的作用都是直接減少輻射傳導。

珍惜氦,節約氦

 2012年日本曾發生過氦氣稀缺的情況,導致東京迪士迪樂園暫停出售各種需要由氦氣填充的卡通人物氣球,醫院核磁共振檢查也需要液態氦做制冷劑,導致當時部分日本醫院停止做核磁共振檢查!

小到氣球充氣、“變聲”搞怪,大到醫療科研、航天軍工,稀有氣體氦氣應用廣泛。

氦氣其實非常珍貴,不可再生。氦氣最主要的來源不是空氣,而是天然氣。氦氣在干燥空氣中含量極微,平均只有百萬分之五,地球引力束縛不住,排到空氣中的氦氣會直接散逸到太空,天然氣中最高則可含7.5%的氦,是空氣的一萬五千倍??墒沁@種高氦的天然氣礦藏并不多,因為天然氣中的氦氣是鈾之類的放射性元素衰變的產物。只有在天然氣礦附近有鈾礦時,氦氣才能在天然氣中匯集。

要說缺乏氦氣最嚴重的后果,也無非是嚴重阻礙低溫技術的應用,其中受到最大影響的就是低溫超導技術了?,F在已知所有的超導材料都要在-130℃以下的低溫中才能表現出超導特性,其中應用最廣泛的那幾種(比如Nb3Sn)更是需要比液氫的沸點還低的轉變溫度,這時候只有液氦能比較簡便地實現這樣的極低溫。雖然我們完全可以用別的辦法實現同樣的低溫,但都不如液氦實惠。顯然,假如我們沒有氦,低溫超導技術的普及就會受到嚴重的阻礙;低溫超導技術如果不能普及,醫院就會用不起核磁共振成像儀(它需要超導材料制造強磁場)。



 
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