飞利浦“007”无液氦磁共振到底怎么实现的？

“匠心”系列是医工研习社的全新专题，专门技术拆解影像设备。

与“盘点"系列的“全”不同，“匠心”系列主要写有创新精神的设备，涉及普放/CT/MR/PET等。以事实作为分析基础，适当加入评价，有优点亦有缺点。

P.S. 没有产品是完美的，瑕不掩瑜已是最好。

比起CT的快速发展，磁共振显得落后了一些，这与磁共振更复杂有关。不过，近几年磁共振也有几项技术进步，比如静音核磁、快速采集技术(她俩同样很有趣，后面也会以具体设备为例解析这两项技术)，以及今天的主角：无液氦磁共振。 2020年6月，全球首台“无液氦”磁共振飞利浦Ingenia Ambition通过NMPA批准，正式在我国发布，其官方介绍：

Ambition采用BlueSeal技术，将7L液氦完全封装在容器中一次成型，在保持磁体超导状态的同时实现了：0液氦泄漏、0失超风险、7升微循环冷却技术，从根本上避免了磁共振的“失超”风险，实现了磁共振领域的颠覆性突破。

熟悉“医工研习社”的朋友，想必读过我的“磁体四部曲”，从超导、失超、冷链到预防，完整的分析了超导磁体及外设，这是目前关于超导磁共振最全最易懂的文章。

对于这台号称革新磁体的设备，我非常好奇，带着几个问题，分析了其产品发布会和欧洲官网资料，基本明白实现思路。为方便快速了解该产品，本文采用问答方式，逐层推进。

01、为什么是液氦？

要我说，早就该朝液氦下手了，其他磁共振技术都可以等等，这才是刚需！氦气，被誉为“气体稀土”，对航天、国防科技、高科技制造业、火箭引擎测试、焊接、商业潜水、粒子加速器磁铁、光纤、半导体芯片而言，氦气的作用都不可或缺。她最重要的用途还是超导磁共振，也是消耗量最大的。然而，氦气在空气中含量极微，平均只有百万分之五。此外，我国绝大部分液氦依赖美国进口，因此液氦价格昂贵。更重要的是，氦气是不可再生资源，按照全球目前的使用速度，预计2040年全球氦气将被消耗殆尽。2020年即将结束，只有20年了。。。

2、“007”磁共振是什么意思？

先来回顾一下传统超导磁体：正常的超导磁体，液氦水平60、70%左右，只有部分磁体线圈浸泡在液氦中，如下图所示。磁体腔体的上面是氦气，下面是液氦，通过4K冷头和加热器协同工作，使磁体处于“气液交融”的压力平衡状态。

发布会视频截图传统超导磁体大约需要1500-2000L液氦。如果冷头停止工作4小时以上，液氦会气化(类似下面这个电水壶)，磁体腔体内的液氦变成氦气，体积会膨胀739倍，导致磁体压力会上升，为保持磁体压力，部分氦气会通过失超管挥发到外部环境。

因此，对于传统超导磁共振来说，损失液氦几乎是必然的。。。损失点液氦，其实问题不大，可怕是失超。所谓失超，磁共振由于人为或磁体故障，主磁体线圈由超导体变为导体，线圈中的电流瞬间消失，电磁能转化为热能，液氦大量挥发，磁场强度迅速下降。

失超之所以可怕，是因为她的“百万损失”：

1）一般来说，原厂保修是不含液氦的(也不建议保液氦，性价比太低)。失超后大概需要补1000-1500L液氦，液氦价格一般300元左右/L(随市场波动)，大概40万-60万元。2）失超后，磁共振要经过更换爆破膜，除冰，加液氦，励磁等，大概7-10天。从社会角度：停机一周，多少患者检查被推迟，多少患者治疗被影响；从经济角度：三甲医院平均每台磁共振60部位/天，600元/部位，1次失超医院大概损失36万元。更可怕的是，失超后如果不及时到现场处理，液氦会继续挥发，最后导致磁体热了，那损失的可不就百万了。。。

2）BlueSeal磁体

磁体还是原来的磁体，或者差别不大，她改变的是磁体制冷方式！BlueSeal磁体中，液氦腔体不再是传统杜瓦罐，而且变成4个小的腔体。将7L液氦直接注入BlueSeal容器中，4个液氦储存罐通过极细的管道互相连接，一次成型，与外界不导通，没有失超管。这就是“0液氦泄漏”的原因。

所谓的“0失超”风险，不是不“失超”，而是以主动“退场”代替被动“失超”，不损失液氦，更不会像传统磁共振那样给医院带来巨大损失。

该设备有个一键式退场功能：一旦冷头停止工作4个小时，BlueSeal磁体会自动“退场”，等工程师来维修。

问题1

问：这个“无液氦”磁共振和之前的“零液氦”磁共振有什么区别？

答：1）“零液氦”磁共振指的是“零液氦挥发”磁共振。大约20或30年前，超导磁共振使用的是10K冷头。然而，氦气的沸点4.3K，显然10K冷头无法将氦气液化，因此10K冷头磁共振必须要定期补充液氦。液氦很贵，为解决这个问题，超导磁共振开始使用4K冷头，4K冷头保证了磁共振液氦零挥发。在当时，这是一项重大进步。

2）“无液氦”磁共振，严格来说并不是“无液氦”，而是磁体腔体里只有7L液氦，与传统磁体的2000L液氦相比，简直小巫见大巫。因此，称之为“无液氦”磁共振。今天这项技术同样变革巨大。

问题2

问：一旦冷头故障，液氦挥发变成氦气后，体积会膨胀739倍，没有失超管，那么小的BlueSeal液氦腔体岂不是很快就憋炸了？

答：这个问题相当专业。并不会。

首先，注入到BlueSeal液氦腔体的确是液氦，但只有7L。部分液氦气化是无妨的，因为她有4个BlueSeal液氦储存罐，用于释压；

其次，BlueSeal液氦腔体的极限承压能力很强，达到194bar，即便7L液氦全部气化也必然能扛得住，否则这就不是磁共振，而是炸弹。

3、“7升微循环”怎么实现的？

这才是“007”无液氦磁共振的创新所在，也是将其列入“匠心”系列的原因。我们知道，传统磁共振的液氦腔体通过4K冷头和加热器协同工作，使磁体处于压力平衡的状态，其磁体压力是略高于标准大气压的。其中，4K冷头的第二级直接插入到液氦腔体，与氦气直接接触(西门子/飞利浦是，GE不是)。但是，BlueSeal的液氦腔体是处于真空状态的，这是7L微循环的核心所在，并且控制液氦腔体的真空压力大小处于适当的状态：既不能太高，以便使氦气分子吸附于腔体表面；又不能太低，否则会使导致氦气分子产生渗透效应。

问题3

问：BlueSeal液氦腔体是一体成型的，冷头怎么制冷？答：与传统超导磁体一样的是，BlueSeal磁体内部也是处于“气液交融”的压力平衡状态；与传统4K冷头不一样的是，第二级冷头不与氦气直接接触，而是直接将冷头紧贴在腔体表面，如下图(个人猜测冷头应该就是在最上面)。由于低温腔体及真空的共同作用，氦气分子都吸附在了腔体表面，导致整体低温的表面积扩大，从而实现了对超导线圈的制冷。其微循环过程：磁体腔体中的底部氦气会因为自然的热交换等因素温度升高，产生向上的微运动，当这些氦气进入冷头区域后，再次变成液氦，向下运动回到磁体底部，周而复始，形成“热-冷-热”循环。因为自然热交换的程度很低，大部分氦气分子被束缚在各自所处的腔体表面，整个循环过程运行得比较缓慢，因此叫做“微循环”。因此，飞利浦将"7升微循环"称之为将“大水漫灌”进化为“精准滴灌”，是有一定道理的。

问题4

问：磁共振室温一般保持在20℃(293K)左右，而磁体是4K的，意味着磁体和外界存在290度的温差。这个“微循环”恐怕不好维持吧？答：从物理角度来讲，这是肯定的。为使磁体腔体内部与外界的热交换不会过于激烈，飞利浦为BlueSeal磁体配备了液氦腔体隔热技术，总体原理比较简单：1）真空隔热。这是超导磁共振常用的隔热方法，将BlueSeal磁体置入10-6的超高压真空，由于外界与液氦腔体之间隔着真空层，阻止了热对流，隔绝了外界大部分热量传递到磁体。

2）BlueSeal黑体模型。有了真空保护后，外界热量传递到液氦腔体的唯一途径只剩热辐射。热辐射很难阻止，只能尽力减少，飞利浦的方法是建立了一个吸收热量的黑体模型，即：对于真空层的内外两层使用不同的电镀工艺，靠近液氦腔体的一面使用高反射率亮银电镀工艺，用于发射反射热量，使热量不会辐射至液氦腔体；外表面使用较高吸收率的黑体电镀层，用于吸收外界的热量，以及吸收内层反射的热量。黑体模型保证了磁体有极强的绝热能力，进一步减少了热量辐射。

以上保证了冷头的制冷量要与传递给氦气的热量相互匹配，从而使液氦腔体内部的热力学分布相对均衡，最终使磁体状态保持稳定。

4、冷头停了，磁共振怎么办？

根据以上分析，我们知道BlueSeal磁体技术的核心：一体成型的真空液氦腔体，微循环以及液氦腔体隔热。这有个疑问，发布会强调，一旦冷头停了，7L“液氦”给工程师争取了4个小时维修时间。然而实际情况是，4个小时工程师是很难到现场的，更别说完成维修，4小时的意义在哪儿？经过仔细研究后，事情是这样的：1）众所周知，水冷机是磁共振最容易故障的部分。为了防止因水冷机故障导致冷头停止工作，Ambition配备了两个压缩机以维持一个冷头的工作，包括正常用的水冷氦气压缩机F-40，以及水冷机故障时应急用的风冷压缩机，这保证了冷头停止工作的可能性极小。2）"4个小时"只是指导时间，也可能5小时、6小时。个人猜测其自动退场逻辑是：根据其“8级AI温控技术”实时监测磁体8个位置的温度，一旦某处的温度达到预设的阈值，BlueSeal磁体会自动实现“退场”，等工程师来维修。总结来说：一旦冷头停了4小时，磁共振会主动“退场”保平安，随便工程师几小时到。如果工程师4小时内能到，磁共振无需自动“退场”。

问题5

问：如果4小时没人管，难道这台机器就废了？答：首先，并不存在所谓的4个小时，一旦监测到磁体温度超过阈值，磁共振就自动“退场”了。即便医院停电也一样，设备靠UPS也能完成“自动退场”；其次，既然磁共振已经“退场”了，液氦又跑不出来，担心就多余了，我们需要做的就是继续等工程师。

问题6

问：有人说这台机器用了大功率冷头才维持了磁体超导，很耗电，是真的吗？答：不是。首先，这台机器只有1个冷头，使用的是F40氦气压缩机，属于常规配置，冷头自然也是常规冷头。之所以能凭借常规冷头能维持住超导磁体，是因为她的液氦腔体隔热技术。否则，哪怕你冷头功率再大，整个磁体会与外界产生剧烈的热交换，整个磁体会处于不稳定状态，失超是随时的。

问题7

问：有人说这台机器更容易失超，是真的吗？答：冷头停止4小时，自动“退场”是大概率的，因此是的。不过，与传统磁共振不同，她的“失超”是主动的，所以不必拿“老眼光”看待她。此“失超”，与磁共振的常规停机故障区别不大，不必谈之色变。

5、点评

1）更少。液氦更少，无需再赘述，这也是其最大意义。2）更好。没有了失超风险，减少了医院损失；也无需复杂的失超管设计，自然更安全。3）更轻。一般1.5T超导磁体在3.5吨左右，而 Ambition是2.3吨，这比一台CT还轻(飞利浦 Ingenuity Core128 整机是2.35吨)，意味着她不再限制在1楼或2楼。

缺点

因为没看到看真机，谈缺点意义不大。如果硬要现在找茬：传统磁共振的冷头停了，或许可以熬个两三天再“失超”，Ambition基本上4小时后就自动“退场”。不过，作为7年内经历过3次“失超”的轻度PTSD患者，认为这应该是好事儿，谁家的磁共振不坏，等一天又何妨，起码再也不用像担心传统磁共振“失超”那样担惊受怕了。

6、小结

最后，无论从什么角度，超低液氦磁共振一定代表着未来，而飞利浦是第一个吃螃蟹的，至于这螃蟹味道如何，我期待医院同行的真实体验感受。

我更相信，其他厂家也必然会推出超低液氦磁共振，我们拭目以待。。。

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