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來(lái)源：器械之家

氦被譽(yù)為氣體界的稀土，是一種不可再生資源。中國(guó)的氣氦/液氦約95%都依賴進(jìn)口，且進(jìn)口量還在逐年增加，價(jià)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(duì)于液氦的消耗一直被人們重點(diǎn)關(guān)注。過(guò)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(jìn)步。2018年，飛利浦推出的helium-free operation（無(wú)液氦運(yùn)行）的超導(dǎo)MRI產(chǎn)品已實(shí)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(yùn)行后無(wú)需補(bǔ)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(méi)有完全擺脫對(duì)液氦的依賴。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)廠家已成功研制出完全依靠制冷機(jī)作為冷源的固體傳導(dǎo)制冷（簡(jiǎn)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(lái)維持超導(dǎo)狀態(tài)。在固冷磁體研制的同時(shí)，“固冷”無(wú)液氦醫(yī)用超導(dǎo)磁共振產(chǎn)品也在同步研制。

經(jīng)過(guò)國(guó)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(wú)液氦醫(yī)用超導(dǎo)磁共振產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)國(guó)家藥品監(jiān)督管理局（NMPA）的注冊(cè)審批，即將上市。

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

01

固冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)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(shí)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(guó)科學(xué)院院士，強(qiáng)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(shí)，一部分液氦會(huì)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(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。為了避免空氣進(jìn)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(huì)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(guò)特殊設(shè)計(jì)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(shì)。

但這兩種磁體如果失超，液氦將大量汽化，密封的磁體會(huì)變成壓力巨大的容器。

無(wú)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(jī)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(guò)程中的溫差，一般會(huì)選用高RRR值的材料。超導(dǎo)線圈工作時(shí)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(jiàn)，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(wèn)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(jìn)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(méi)有高壓容器，沒(méi)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(rùn)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(jìn)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(huì)對(duì)磁體的熱穩(wěn)定性有一定影響，我們針對(duì)這方面進(jìn)行了大量的技術(shù)優(yōu)化和測(cè)試驗(yàn)證工作，經(jīng)過(guò)20個(gè)月的全面實(shí)測(cè)，分析了1000余例掃描數(shù)據(jù)，在各種實(shí)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。

朗潤(rùn)“固冷”無(wú)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(shí)現(xiàn)了100%國(guó)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(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化。

產(chǎn)品已于2020年通過(guò)了注冊(cè)檢測(cè)，并于同年12月向國(guó)家藥品監(jiān)督管理局（NMPA）提出注冊(cè)申請(qǐng)，該產(chǎn)品已于今年初通過(guò)了國(guó)藥局的注冊(cè)審批，即將上市，很快可進(jìn)入實(shí)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(lái)對(duì)液氦的需求將會(huì)大幅減少，這對(duì)于MRI行業(yè)應(yīng)該有比較重大的意義。從專業(yè)角度來(lái)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(jià)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(guó)氦氣資源非常有限，大約90%以上的氦氣需要進(jìn)口，且主要依賴于美國(guó)，若美國(guó)停止了氦氣出口或增加了限制，將對(duì)我國(guó)的航天、工業(yè)、科研等領(lǐng)域造成巨大沖擊，也會(huì)對(duì)我國(guó)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(jì)，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(kāi)采及國(guó)際貿(mào)易等因素的影響，氦氣價(jià)格波動(dòng)較大，近年來(lái)價(jià)格一路上漲，對(duì)我國(guó)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(duì)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(wèn)題。假如采用固冷技術(shù)的MRI產(chǎn)品能夠推廣應(yīng)用，將會(huì)極大程度減少氦資源消耗，利國(guó)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(lái)更多可能性。

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

采用固冷技術(shù)的超導(dǎo)MRI產(chǎn)品則無(wú)需有這些方面的考慮，磁體可在常溫、無(wú)供電條件下運(yùn)輸，即使是路途不便的偏遠(yuǎn)地區(qū)也可抵達(dá)。對(duì)運(yùn)輸要求的降低不僅會(huì)提高運(yùn)輸效率，也將極大降低設(shè)備的運(yùn)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(yùn)維成本。

此外，無(wú)需補(bǔ)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(guó)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(lái)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(lái)什么影響或者新的機(jī)會(huì)？

唐昕：我們作為超導(dǎo)MRI的供應(yīng)商，在這方面做過(guò)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(dòng)設(shè)備。

我們可以設(shè)想一種移動(dòng)式的超導(dǎo)MRI，使用時(shí)移動(dòng)到指定位置，使用完畢后推回原位，也可以在需要時(shí)給磁體的磁場(chǎng)升至工作狀態(tài)，使用完畢后退掉磁場(chǎng)，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(chǎng)景中可以有更多種嘗試。

最貼近實(shí)際的一種設(shè)想是車載式的超導(dǎo)MRI，這種系統(tǒng)平時(shí)是不帶磁場(chǎng)的，需要執(zhí)行任務(wù)時(shí)可立即出發(fā)，布署到位后可供電運(yùn)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(yùn)輸過(guò)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(chǎng)景。

王秋良：你說(shuō)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(shí)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(guò)在列車的特定位置安裝固冷超導(dǎo)磁體，實(shí)現(xiàn)列車車身與軌道之間的無(wú)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(gè)技術(shù)的應(yīng)用前景非常廣闊。

王秋良

◆ 中國(guó)科學(xué)院院士，強(qiáng)電磁工程與技術(shù)領(lǐng)域?qū)＜遥?/span>中國(guó)科學(xué)院電工研究所研究員、博士生導(dǎo)師。中電機(jī)工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，IEEE Members會(huì)員，美國(guó)MIT物理系客座教授。

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

唐昕

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

◆ 國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”科技創(chuàng)業(yè)領(lǐng)軍人才，科技部創(chuàng)新人才推進(jìn)計(jì)劃科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才，中國(guó)醫(yī)械協(xié)同創(chuàng)新組織第一品牌獨(dú)墅聯(lián)盟副會(huì)長(zhǎng)。

◆ 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(rùn)醫(yī)療系統(tǒng)有限公司，用近10年時(shí)間成功將朗潤(rùn)醫(yī)療打造成以磁共振（MRI）為核心的醫(yī)學(xué)影像產(chǎn)品制造商及醫(yī)學(xué)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(xiàn)

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