醫(yī)用磁共振成像儀(MRI)是最先進的無損傷快速斷面成像設(shè)備，已廣泛用于人體成像診斷疾病、早期檢測腫瘤(分辯率達1.5mm)和心血管發(fā)病預(yù)兆,具有很高的臨床價值。磁共振成象裝置已成為當今醫(yī)院中最大型的低溫診療機器，是醫(yī)療現(xiàn)代化的重要標志。
磁體系統(tǒng)是磁共振成像儀中的關(guān)鍵部件，由于它具有大孔口、高磁場、高均勻性和高可靠性要求，必須采用超導磁體。因此，MRI技術(shù)直接涉及液氦冷卻技術(shù)和低溫制冷機傳導冷卻技術(shù)。
一、MRI裝置——液氦冷卻的發(fā)展歷程
(1) 敞口式超導磁體液氦杜瓦
1985 年前，所有的MRI超導磁體系統(tǒng)都是敞口式的。超導磁體被沉浸在一個液氦杜瓦中，液氦容量大約為300—1500升。液氦容器外面包圍著一個氦蒸氣冷卻 屏，利用容器內(nèi)蒸發(fā)的氦蒸氣將其冷卻到大約30K，保證內(nèi)容器中液氦的低蒸發(fā)。氦蒸氣冷卻屏外面又包圍著一個液氮保護屏，與一個附加的液氮容器相連接。液 氮保護屏與外殼體之間為多層絕熱。液氦的損失大約為0.5—1 L/h，要求一個月補充一次液氦。由于裝置了液氮保護屏，還需要有一個外貯存系統(tǒng)通過自動補液裝置經(jīng)常補充液氮。敞口杜瓦系統(tǒng)需要由低溫技術(shù)人員來操作。加之，液氦價格高昂，不易獲得。因此不能受到用戶普遍歡迎，只能在大城市的研究型醫(yī)院使用。
(2) 采用G-M制冷機的液氦杜瓦
雖然A.Little公司在1960年就推出了第一臺兩級G-M制冷機，但由于不維修時間只有幾星期到幾個月，難以獲得廣泛應(yīng)用。在70年代，低溫冷凝真空 泵的快速發(fā)展促進了低溫制冷機性能和可靠性的提高，也為在MRI液氦杜瓦中的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。當時的兩級G-M制冷機在80K時的制冷量為50W、在 20K時為5W，輸入功率大約為1.7～3.0 KW。運轉(zhuǎn)頻率大約為1Hz，維修間隔為18個月。采用兩級制冷機的MRI液氦杜瓦系統(tǒng)的補充液氦的間隔大為增長。在這種情況下，制冷機的第一級用來冷卻80K冷屏，因而省去了附加液氮冷卻的需要。制冷機的 第二級用來冷卻30K冷屏到更低溫度，例如15K，使液氦的蒸發(fā)損失減少為0.2~0.3L/h，因而將1200L的液氦容器工作到20%的液體，能維持 到4-6個月。下圖示出采用兩級G-M制冷機的MRI超導磁體恒溫器的結(jié)構(gòu)布置。制冷機與冷屏之間通過傳導傳熱，彼此應(yīng)有良好的熱接觸。在需要維修時制 冷機應(yīng)易于移走，并保證杜瓦的絕熱真空不會破壞。由于80K冷屏具有一定的熱穩(wěn)定性，維修時將制冷機關(guān)閉或從恒溫器中移出時，屏溫的變化不會很明顯。
1985年以后，采用兩級G-M制冷機的MRI液氦杜瓦開始批量生產(chǎn)，維修間隔增長到每年一次。從而把MRI系統(tǒng)的市場化推向一個新的水平?，F(xiàn) 在，MRI系統(tǒng)已被 廣泛應(yīng)用到各種醫(yī)院、診所和流動醫(yī)院，而不再僅僅局限于大城市的研究型醫(yī)院。這應(yīng)歸功于G-M制冷機的性能改善和提高。
(3) 具有零蒸發(fā)的MRI液氦杜瓦
零蒸發(fā)的MRI液氦杜瓦是一種理想的設(shè)計方案，如果能夠?qū)崿F(xiàn)，將使MRI的操作和維護帶來很大的方便。在1990年之前，低溫界一直在探討采用4K 級J-T 回路的氦氣再冷凝制冷機的可能性，因為傳統(tǒng)的兩級G-M制冷機的最低制冷溫度為8-10K，不能使氦液化。因此，采用具有J-T回路的兩級制冷機系統(tǒng)是一 個頗為理想的方案，機器的第一、二級可以分別用來冷卻80K和30K冷屏，而節(jié)流級制冷溫度(4K)則用來使蒸發(fā)的氦蒸氣再冷凝，使液氦容器中的液氦損耗 率降為零。但是，具有J-T回路的制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格昂貴，而且還需要有一種冷卻磁體電流引線和儀表引線的新方法，原來它們是由蒸發(fā)的氦氣冷卻的。
