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全球首款!完全無液氦!“固冷”超導(dǎo)MRI來了

2022-02-07

  

MRI

  

2022-02-07

  

MRI

  

來源:器械之家

全球首款!完全無液氦!“固冷”超導(dǎo)MRI來了

氦被譽為氣體界的稀土,是一種不可再生資源。中國的氣氦/液氦約95%都依賴進口,且進口量還在逐年增加,價格也在逐年上升,是一種極其容易被卡脖子的資源。


由于液氦資源稀缺,超導(dǎo)MRI對于液氦的消耗一直被人們重點關(guān)注。過去幾十年間,從液氦少揮發(fā)到液氦零揮發(fā),超導(dǎo)磁體的技術(shù)一直在不斷進步。2018年,飛利浦推出的helium-free operation(無液氦運行)的超導(dǎo)MRI產(chǎn)品已實現(xiàn)商業(yè)化,其采用的Blueseal技術(shù)使該產(chǎn)品液氦使用量約為傳統(tǒng)超導(dǎo)磁體的0.5%,且運行后無需補充液氦,該突破性技術(shù)極大減少了醫(yī)用超導(dǎo)MRI系統(tǒng)的液氦使用量,但還是沒有完全擺脫對液氦的依賴。


近年來,國內(nèi)廠家已成功研制出完全依靠制冷機作為冷源的固體傳導(dǎo)制冷(簡稱:固冷)技術(shù)的超導(dǎo)磁體。


與Blueseal技術(shù)不同,采用固冷技術(shù)的磁體不需要使用液氦即可從室溫狀態(tài)冷卻至超導(dǎo)狀態(tài),也不需要使用液氦來維持超導(dǎo)狀態(tài)。在固冷磁體研制的同時,“固冷”無液氦醫(yī)用超導(dǎo)磁共振產(chǎn)品也在同步研制。


經(jīng)過國內(nèi)科研院所和醫(yī)械企業(yè)近三年的不懈努力,全球第一款“固冷”無液氦醫(yī)用超導(dǎo)磁共振產(chǎn)品已經(jīng)通過國家藥品監(jiān)督管理局(NMPA)的注冊審批,即將上市。


全球首款!完全無液氦!“固冷”超導(dǎo)MRI來了

就先進的超導(dǎo)磁體固冷技術(shù)及其行業(yè)應(yīng)用,器械之家對我國強電磁工程與技術(shù)領(lǐng)域?qū)<彝跚锪枷壬?/span>及國內(nèi)醫(yī)械行業(yè)企業(yè)代表朗潤醫(yī)療的創(chuàng)始人唐昕先生進行了一次對話。


01


固冷技術(shù)實現(xiàn)多項突破


器械之家:固體傳導(dǎo)制冷技術(shù)是如何在超導(dǎo)磁體上實現(xiàn)制冷的?采用這一技術(shù)的超導(dǎo)MRI與其他廠商的超導(dǎo)MRI產(chǎn)品有何不同之處?


王秋良(中國科學院院士,強電磁工程與技術(shù)專家):傳統(tǒng)有液氦的超導(dǎo)磁體,是把超導(dǎo)線圈全部浸泡在液氦中,液氦能夠迅速帶走超導(dǎo)線圈中的熱量,使其穩(wěn)定在超導(dǎo)狀態(tài)。在帶走熱量的同時,一部分液氦會汽化成氦氣,這部分氦氣在冷頭的制冷下,重新轉(zhuǎn)化為液態(tài)。


因此,在超導(dǎo)磁體的低溫容器內(nèi)液氦與氣氦共存,且氦在兩種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)化是一個動態(tài)平衡過程。為了避免空氣進入超導(dǎo)磁體的低溫系統(tǒng)內(nèi)造成磁體故障,通常這種平衡的壓力要求比外界氣壓稍高,內(nèi)外壓力差會使氦氣從磁體中少量溢出。


新推出的少液氦超導(dǎo)磁體與傳統(tǒng)超導(dǎo)磁體類似,二者主要區(qū)別在于:少液氦超導(dǎo)磁體的超導(dǎo)線圈并不是完全浸泡在液氦中,而是通過特殊設(shè)計使超導(dǎo)線圈僅局部與液氦接觸,從而維持線圈的超導(dǎo)狀態(tài)。少液氦超導(dǎo)磁體僅使用了極少量的液氦,整體更輕便,使產(chǎn)品具有更多的優(yōu)勢。


但這兩種磁體如果失超,液氦將大量汽化,密封的磁體會變成壓力巨大的容器。

全球首款!完全無液氦!“固冷”超導(dǎo)MRI來了

無液氦超導(dǎo)磁體(左)、常規(guī)超導(dǎo)磁體(右)結(jié)構(gòu)示意圖


固體傳導(dǎo)制冷技術(shù)是采用制冷機作為冷源、高熱導(dǎo)的固體作為導(dǎo)熱介質(zhì)(我們稱之為“熱橋”)。為了減小熱橋在熱傳導(dǎo)過程中的溫差,一般會選用高RRR值的材料。超導(dǎo)線圈工作時產(chǎn)生的熱量可被熱橋直接傳導(dǎo)至冷頭,超導(dǎo)線圈則一直維持在超導(dǎo)狀態(tài)。


由此可見,固冷磁體與傳統(tǒng)的超導(dǎo)磁體維持低溫方式是完全不同的。由于固冷磁體不使用氦,內(nèi)部完全密封,不用像傳統(tǒng)超導(dǎo)磁體那樣考慮內(nèi)外壓力差的問題,此外,如果低溫系統(tǒng)的漏熱控制得足夠低,冷頭可以更充分地發(fā)揮其制冷性能,冷頭溫度能變得更低(<4.2K),進而讓超導(dǎo)線圈處在更低溫的狀態(tài),從而提高了超導(dǎo)線圈的穩(wěn)定性。


由于固冷磁體不使用氦,不論是在工作狀態(tài)、失超狀態(tài)還是室溫狀態(tài),線圈始終在真空中,磁體內(nèi)部沒有高壓容器,沒有低溫液體,其安全性較傳統(tǒng)超導(dǎo)磁體和少液氦超導(dǎo)磁體更高。


唐昕(朗潤醫(yī)療創(chuàng)始人、總經(jīng)理):關(guān)于固冷磁體,我們公司已經(jīng)進行了三年左右的研發(fā)攻關(guān),考慮到不同磁體制冷方式會對磁體的熱穩(wěn)定性有一定影響,我們針對這方面進行了大量的技術(shù)優(yōu)化和測試驗證工作,經(jīng)過20個月的全面實測,分析了1000余例掃描數(shù)據(jù),在各種實際掃描應(yīng)用條件下,MRI系統(tǒng)的成像性能良好,超導(dǎo)線圈始終保持超導(dǎo)狀態(tài),磁體穩(wěn)定性良好。

全球首款!完全無液氦!“固冷”超導(dǎo)MRI來了

朗潤“固冷”無液氦超導(dǎo)磁共振產(chǎn)品示意圖


我公司研發(fā)這款采用固冷技術(shù)的MRI產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了100%國產(chǎn)化,其中由寧波健信聯(lián)合中科院電工所研發(fā)、寧波健信制造的超導(dǎo)磁體也全部實現(xiàn)了國產(chǎn)化。


產(chǎn)品已于2020年通過了注冊檢測,并于同年12月向國家藥品監(jiān)督管理局(NMPA)提出注冊申請,
該產(chǎn)品已于今年初通過了國藥局的注冊審批,即將上市,很快可進入實際臨床應(yīng)用階段。


02


節(jié)約戰(zhàn)略資源

提升產(chǎn)品性能


器械之家:既然固體傳導(dǎo)制冷技術(shù)的磁體不使用液氦,那么一旦這種磁體能夠推廣應(yīng)用,超導(dǎo)MRI未來對液氦的需求將會大幅減少,這對于MRI行業(yè)應(yīng)該有比較重大的意義。從專業(yè)角度來看,固體傳導(dǎo)制冷技術(shù)的應(yīng)用具體有哪些方面的意義和價值呢?


王秋良:眾所周知,氦是不可再生的稀缺資源,也是極其重要的戰(zhàn)略資源,我國氦氣資源非常有限,大約90%以上的氦氣需要進口,且主要依賴于美國,若美國停止了氦氣出口或增加了限制,將對我國的航天、工業(yè)、科研等領(lǐng)域造成巨大沖擊,也會對我國超導(dǎo)MRI供應(yīng)商及醫(yī)院用戶造成較大的影響。


據(jù)統(tǒng)計,超導(dǎo)MRI設(shè)備使用的氦占據(jù)全球氦用量的20%,是氦用量最大的行業(yè)。受資源開采及國際貿(mào)易等因素的影響,氦氣價格波動較大,近年來價格一路上漲,對我國超導(dǎo)MRI供應(yīng)商及醫(yī)院用戶均造成了較大影響。如何減少液氦使用量,降低對液氦的依賴,是各MRI供應(yīng)商面臨的巨大挑戰(zhàn),也是MRI工程技術(shù)領(lǐng)域需要迫切解決的問題。假如采用固冷技術(shù)的MRI產(chǎn)品能夠推廣應(yīng)用,將會極大程度減少氦資源消耗,利國利民。


唐昕:除了資源供給方面的重大意義外,采用固冷技術(shù)的超導(dǎo)磁體也為產(chǎn)品帶來更多可能性。


傳統(tǒng)的超導(dǎo)磁體在產(chǎn)品發(fā)貨、運輸?shù)倪^程中都是攜帶大量液氦的,要按照危險品的要求運輸;此外,由于運輸過程中常常無法供電會造成較多液氦損耗,因此,對這種磁體的運輸時間、運輸方式、路徑選擇、安裝場地等方面都有較多限制,尤其對于海外運輸和海外客戶裝機就更加復(fù)雜。


采用固冷技術(shù)的超導(dǎo)MRI產(chǎn)品則無需有這些方面的考慮,磁體可在常溫、無供電條件下運輸,即使是路途不便的偏遠地區(qū)也可抵達。對運輸要求的降低不僅會提高運輸效率,也將極大降低設(shè)備的運輸成本。采用固冷技術(shù)的超導(dǎo)磁體,其安裝和維修更加便捷,這也在一定程度上降低了設(shè)備運維成本。


此外,無需補充液氦使得這種創(chuàng)新技術(shù)的超導(dǎo)MRI產(chǎn)品成為液氦不容易獲取的國家和地區(qū)的一種非常理想的選擇。


03


應(yīng)用前景廣闊


器械之家:兩位專家能不能帶我們暢想一下,固冷技術(shù)和采用固冷技術(shù)的超導(dǎo)磁體除了在醫(yī)院影像科的應(yīng)用外,在未來有哪些其他領(lǐng)域的應(yīng)用?是不是能夠給相關(guān)的領(lǐng)域帶來什么影響或者新的機會?


唐昕:我們作為超導(dǎo)MRI的供應(yīng)商,在這方面做過一些思考。固冷技術(shù)的應(yīng)用使得超導(dǎo)磁體不必固定在屏蔽室中,可以脫離供電裝置、排氣裝置,成為移動設(shè)備。


我們可以設(shè)想一種移動式的超導(dǎo)MRI,使用時移動到指定位置,使用完畢后推回原位,也可以在需要時給磁體的磁場升至工作狀態(tài),使用完畢后退掉磁場,這使得介入手術(shù)器械與MRI的兼容程度更高,在介入手術(shù)使用場景中可以有更多種嘗試。


最貼近實際的一種設(shè)想是車載式的超導(dǎo)MRI,這種系統(tǒng)平時是不帶磁場的,需要執(zhí)行任務(wù)時可立即出發(fā),布署到位后可供電運行。相較于傳統(tǒng)超導(dǎo)MRI,將這種固冷MRI系統(tǒng)車載化,既不要求運輸過程中供電,又不消耗液氦,尤其適用于戰(zhàn)備、災(zāi)難救援和防疫應(yīng)急等特殊場景。

全球首款!完全無液氦!“固冷”超導(dǎo)MRI來了

王秋良:你說的這些都非常有應(yīng)用前景。在很多其他領(lǐng)域,固冷磁體技術(shù)也非常有用武之地。比如我們正在研制的時速600公里高速磁懸浮列車,就能夠充分利用上固冷技術(shù),通過在列車的特定位置安裝固冷超導(dǎo)磁體,實現(xiàn)列車車身與軌道之間的無接觸的懸浮和導(dǎo)向,相較于使用傳統(tǒng)超導(dǎo)磁體可大幅提升列車行駛安全性。除了交通行業(yè)的應(yīng)用外,在航天、新能源等領(lǐng)域,固冷技術(shù)及固冷磁體也都有相關(guān)的應(yīng)用,這個技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊。




全球首款!完全無液氦!“固冷”超導(dǎo)MRI來了

王秋良


◆ 中國科學院院士,強電磁工程與技術(shù)領(lǐng)域?qū)<遥?/span>中國科學院電工研究所研究員、博士生導(dǎo)師。中電機工程學會高級會員,中國電工技術(shù)學會高級會員,IEEE Members會員,美國MIT物理系客座教授。


◆ 從事高磁場超導(dǎo)磁體科學研究30年,是超導(dǎo)磁體與強磁場應(yīng)用領(lǐng)域資深專家,在強電磁裝備、無液氦超導(dǎo)磁體、磁共振設(shè)備等領(lǐng)域多有建樹,取得一系列創(chuàng)新的科學研究成果。成果應(yīng)用于大科學設(shè)施、醫(yī)療、科學儀器和能源交通等領(lǐng)域。

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唐昕


◆ 北京大學核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)博士、碩士,北京大學物理系本科。朗潤醫(yī)療創(chuàng)始人,現(xiàn)任朗潤醫(yī)療董事長、總經(jīng)理。


◆ 國家“萬人計劃”科技創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才,科技部創(chuàng)新人才推進計劃科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才,中國醫(yī)械協(xié)同創(chuàng)新組織第一品牌獨墅聯(lián)盟副會長。


◆ 從事醫(yī)用MRI及其他大型高端數(shù)字化醫(yī)療器械研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化20年,2007年創(chuàng)辦蘇州朗潤醫(yī)療系統(tǒng)有限公司,用近10年時間成功將朗潤醫(yī)療打造成以磁共振(MRI)為核心的醫(yī)學影像產(chǎn)品制造商及醫(yī)學影像服務(wù)提供商,成為蘇州工業(yè)園區(qū)的骨干企業(yè)。


參考文獻

https://www.usa.philips.com/a-w/about/news/archive/standard/news/press/2018/20180911-philips-launces-ingenia-ambition-x-15t-mr.html


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