第二章 磁共振成像辅助设备与功能
第一节 制冷系统
采用超导磁体的高场MRI系统，需要液氦作为制冷剂来维持超导磁体超导状态。磁共振的超导线圈用浸泡在低温液氦中的方法以获得其正常工作的超低温环境，液氦压力设定为4psi（1psi=6.894 76kPa），记录时若压力超出规定范围则表明故障。虽然磁体采用了真空绝热结构，但由于结构支撑等多种因素，不可能完全阻止热传导，所以液氦会以蒸发的形式带出导入的热量以维持4.2K的温度，正常情况4K系统液氦零消耗，10K系统每月消耗2%～3%。液氦是价格昂贵的制冷剂，在超导MRI正常运行的情况下，液氦的消耗主要是到达液氦容器的热量所引起的，通常称之为漏热。一个良好的、稳定的制冷系统，不仅是超导环境存在的重要保证，而且能大大降低液氦的挥发，减轻磁共振运行成本。近年来随着新型磁共振装置的不断改进，梯度系统和射频系统的功率不断提高，散热量也随之增加，制冷系统的工作状况直接决定了MRI设备的运行状况，故而制冷系统也成为决定MRI系统性能及稳定性的重要设备。制冷系统主要由氦压缩机、水冷机、空调系统三部分组成。当遇停电及氦压缩机、水冷机、冷头故障时液氦挥发将加剧，此时要及时维修，否则有失超危险。
一、氦压缩机
压缩机作为MRI磁体制冷系统的核心，为冷头提供低温高压氦气，应用氦气膨胀进行制冷。氦压缩机中充以高纯度的氦气，并通过密封保温软管与冷头相连。工作时，由冷头返回的高温低压氦气，经过氦压缩机提升压力，在热交换器中与水冷机提供的冷却水、压缩机油进行热交换，使温度迅速下降，成为低温高压氦气，经油水分离器滤油，再经吸附器进一步过滤，通过密封保温软管进入冷头，在这里迅速膨胀产生冷头所需要的冷量。膨胀吸热以后的氦气，又被送回压缩机，进行下一次制冷循环。氦压缩机工作流程如图2-1所示。
图2-1 压缩机工作流程图
冷屏和冷头是利用氦压缩机制冷过程中必不可少的部件。液氦冷屏是磁体的组成部分之一，超导磁体的超低温杜瓦真空容器中分别设置了20K、77K两个冷屏，以减少辐射漏热。冷头的材料主要是丝绸胶木，两级缸套分别以铜丸和铅丸为蓄冷填料。冷头（图2-2）作为制冷部件被镶入液氦容器中，冷头体位于磁体外部，下端位于20K冷屏，中部与77K冷屏接触。冷头通过两级缸套端面的铟线圈将低温高压氦气传输到磁共振的两级冷屏上，为低温容器中的液氦降温，保持液氦中超导线圈的环境温度，以隔绝结构导热，降低液氦消耗。同时，经过氦压缩机压缩的低温高压氦气在冷头处膨胀带走周围的热量。
通常来说，冷头的额定工作寿命会在1.5～2年之间，活塞和旋转气阀作为冷头中的运动部件容易随着工作时间的延长而产生磨损，从而产生气密性不严、制冷效率下降等问题。除此之外，如果超期使用会使得填料松漏，情况严重时会导致活塞被卡死在缸套中，造成彻底的报废，由此造成氦压升高、液氦气化泄漏，致使磁体失超。冷头损坏的情况可以分为两种：①渐进式逐步扩大，例如一段时间内液氦的损失速度显著增加；②突然之间彻底不起作用了。压缩需要油润滑因此经过压缩机压缩后，氦气里会带有油雾，油滤过器可以滤掉其中的大部分油雾，剩下的则需要依赖吸附器吸附。因此吸附器是过滤氦气中油雾的重要组成部分，它的好坏直接关系到冷头的工作寿命长短。活性炭作为吸附器的主要作用成分，在一段时间之后就会产生饱和，从而失去吸附作用。通常而言，吸附器工作寿命会在10 000～20 000小时之间。一旦吸附器失去吸附作用，剩余的部分油雾就会随着氦气污染管道，进入冷头并冷凝在其中，从而加快活塞的磨损速度。所以，为保证冷头的工作情况，延长其使用寿命，应该定期更换吸附器。
图2-2 冷头
二、水 冷 机
水冷机由制冷系统和水循环冷却系统组成，作为MRI系统关键的外围设备之一，有两个作用：一是对梯度线圈进行冷却；二是对液氦压缩机进行冷却。梯度线圈工作时产生的热量，由蒸馏水循环系统带走，在热交换器与水冷机提供的循环水完成热量交换。水冷机相当于氦压缩机的空调系统，经过热交换器给压缩机提供8～15℃的冷水，通过循环水带走氦压缩机产生的热量。其中，对氦压缩机的冷却要求水冷机24小时连续运行，这就对水冷系统的稳定性、可靠性提出了极高的要求。水冷机工作流程（图2-3，图2-4）。
图2-3 水冷系统冷却梯度线圈工作流程图
图2-4 水冷系统冷却氦压缩机工作流程图
（一）制冷系统由以下几部分构成：
1.压缩机
压缩和输送制冷剂蒸汽。
2.冷凝器
输出热量。
3.蒸发器
吸收热量（输出冷量）从而制冷。
4.节流阀
节流降压，并调节进入蒸发器的制冷剂流量。
（二）制冷系统工作流程：
压缩机将氟利昂蒸气进行压缩，高压气体经油分离器将所携带的润滑油进行分离，然后进入冷凝器被冷凝成液体。液体氟利昂由冷凝器下部出液管经干燥过滤器，然后流经回热器，被来自蒸发器的低温蒸汽进一步冷却后，进入节流阀节流降压，之后送入蒸发器吸热汽化。此时氟利昂汽化吸热用于给水降温，从而达到制冷目的。汽化后的低温蒸气，经过回热器提高过热度后，被压缩机吸入重新压缩。
（三）水循环冷却系统经过热交换器对梯度线圈、氦压缩机进行冷却，其主要由以下几部分构成：
1.水箱
储存冷却用水，为防止结水垢，要定期更换水。
2.水泵
给冷却水加压，以保证水在密闭的管路里正常循环。
3.冷却管
带走梯度线圈及氦压缩机产生的热量。
4.压力表
测定冷却水出水口压力。
5.温度表
显示出水和回水的温度。
6.过滤装置
过滤冷却水中的杂质。
水冷机的循环水管长时间使用后由于腐蚀等原因会产生杂质，使水流不畅，影响热交换的效率；或者由于循环管道的渗漏、冷冻液的蒸发等因素引起冷冻液流失，都会导致水冷机发生故障，此时氦压缩机会因温度报警而立即停机，冷头即不制冷，冷屏温度逐渐上升，辐射漏热增多，液氦蒸发率将成倍提高；同时，梯度系统也因为水冷机故障而无法有效散热及降噪，发生温度报警停止工作。由此可见，水冷机是MRI制冷系统的基础，是MRI正常工作最重要的保障。
三、空调系统
MRI空调系统具备制冷、加热、加湿、除湿功能及温、湿度传感器和控制器。空调控制系统采用微电脑智能控制器，显示系统能显示温湿度及机组内各组件运行状态的功能，具有大容量的故障报警记录储存的功能，具有过压、欠压、漏水等报警及故障诊断、报警记录功能，具有自动保护、自动恢复、自动重启动、断电恢复后顺序自动启动等功能。空调外机通常采用风冷型冷凝器，加装低温启动装置，满足足够的散热量需求。空调机组的风冷型室外机组采用风机调速装置，可根据冷凝压力的高低自动调节风机的转速，以保证系统冷凝压力的稳定。
由于MRI设备需要大量计算机分别控制梯度系统、射频系统、图像处理系统等，而计算机及交换机工作时要求MRI空调系统对机房进行精密的环境控制，主要包括以下四个方面：
1.温度控制
计算机运行时会产生大量热量，为保证计算机设备能正常运行并发挥最佳功效，机房温度最佳控制范围为18～22℃，这就要求空调系统有足够的制冷能力和及时反应能力，以应对温度的急剧变化。
2.湿度控制
在机房中，过高或者过低的湿度都会对计算机造成破坏。湿度过高会使空气中的水分在计算机内冷凝，导致主机硬件短路或损坏；湿度过低会使机房内产生静电，造成计算机无法运行。这就要求空调系统对机房内湿度进行有效控制，机房相对湿度应控制在40%～60%。
3.风量和洁净度控制
为迅速排除计算机及交换机工作时产生的大量热量，要求空调系统具有足够大的冷却循环风量和足够远的送风距离。机房要求每3.5kW制冷量配850～1020m3/h的风量。同时，空调系统需要提供足够次数的风量，以便于对空气进行过滤，保证机房内的空气洁净度。
4.全年运行和室外环境适应性
机房空调系统需要全年365天、每天24小时持续运转，在室外温度过低、过高的环境下也要能正常制冷运行，通常需要配备两套空调系统轮流运行来保证全年持续运转。