醫(yī)用磁共振成像儀(MRI)是最先進(jìn)的無(wú)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(cè)腫瘤(分辯率達(dá)1.5mm)和心血管發(fā)病預(yù)兆,具有很高的臨床價(jià)值。磁共振成象裝置已成為當(dāng)今醫(yī)院中最大型的低溫診療機(jī)器，是醫(yī)療現(xiàn)代化的重要標(biāo)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(chǎng)、高均勻性和高可靠性要求，必須采用超導(dǎo)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(jī)傳導(dǎo)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(dǎo)磁體液氦杜瓦
1985 年前，所有的MRI超導(dǎo)磁體系統(tǒng)都是敞口式的。超導(dǎo)磁體被沉浸在一個(gè)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(gè)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(gè)液氮保護(hù)屏，與一個(gè)附加的液氮容器相連接。液 氮保護(hù)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(gè)月補(bǔ)充一次液氦。由于裝置了液氮保護(hù)屏，還需要有一個(gè)外貯存系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)補(bǔ)液裝置經(jīng)常補(bǔ)充液氮。敞口杜瓦系統(tǒng)需要由低溫技術(shù)人員來(lái)操作。加之，液氦價(jià)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(jī)的液氦杜瓦
雖然A.Little公司在1960年就推出了第一臺(tái)兩級(jí)G-M制冷機(jī)，但由于不維修時(shí)間只有幾星期到幾個(gè)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(jìn)了低溫制冷機(jī)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(dāng)時(shí)的兩級(jí)G-M制冷機(jī)在80K時(shí)的制冷量為50W、在 20K時(shí)為5W，輸入功率大約為1.7～3.0 KW。運(yùn)轉(zhuǎn)頻率大約為1Hz，維修間隔為18個(gè)月。采用兩級(jí)制冷機(jī)的MRI液氦杜瓦系統(tǒng)的補(bǔ)充液氦的間隔大為增長(zhǎng)。在這種情況下，制冷機(jī)的第一級(jí)用來(lái)冷卻80K冷屏，因而省去了附加液氮冷卻的需要。制冷機(jī)的 第二級(jí)用來(lái)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(gè)月。下圖示出采用兩級(jí)G-M制冷機(jī)的MRI超導(dǎo)磁體恒溫器的結(jié)構(gòu)布置。制冷機(jī)與冷屏之間通過(guò)傳導(dǎo)傳熱，彼此應(yīng)有良好的熱接觸。在需要維修時(shí)制 冷機(jī)應(yīng)易于移走，并保證杜瓦的絕熱真空不會(huì)破壞。由于80K冷屏具有一定的熱穩(wěn)定性，維修時(shí)將制冷機(jī)關(guān)閉或從恒溫器中移出時(shí)，屏溫的變化不會(huì)很明顯。
1985年以后，采用兩級(jí)G-M制冷機(jī)的MRI液氦杜瓦開(kāi)始批量生產(chǎn)，維修間隔增長(zhǎng)到每年一次。從而把MRI系統(tǒng)的市場(chǎng)化推向一個(gè)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(dòng)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(jī)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(jì)方案，如果能夠?qū)崿F(xiàn)，將使MRI的操作和維護(hù)帶來(lái)很大的方便。在1990年之前，低溫界一直在探討采用4K 級(jí)J-T 回路的氦氣再冷凝制冷機(jī)的可能性，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的兩級(jí)G-M制冷機(jī)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(jí)制冷機(jī)系統(tǒng)是一 個(gè)頗為理想的方案，機(jī)器的第一、二級(jí)可以分別用來(lái)冷卻80K和30K冷屏，而節(jié)流級(jí)制冷溫度(4K)則用來(lái)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(jià)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(lái)它們是由蒸發(fā)的氦氣冷卻的。
