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。中國的氣氦/液氦約95%都依賴(lài)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MRI對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)液氦運行）的超導MRI產(chǎn)品已實(shí)現商業(yè)化，其采用的Blueseal技術(shù)使該產(chǎn)品液氦使用量約為傳統超導磁體的0.5%，且運行后無(wú)需補充液氦，該突破性技術(shù)極大減少了醫用超導MRI系統的液氦使用量，但還是沒(méi)有完全擺脫對液氦的依賴(lài)。

近年來(lái)，國內廠(chǎng)家已成功研制出完全依靠制冷機作為冷源的固體傳導制冷（簡(jiǎn)稱(chēng)：固冷）技術(shù)的超導磁體。

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)冷卻至超導狀態(tài)，也不需要使用液氦來(lái)維持超導狀態(tài)。在固冷磁體研制的同時(shí)，“固冷”無(wú)液氦醫用超導磁共振產(chǎn)品也在同步研制。

經(jīng)過(guò)國內科研院所和醫械企業(yè)近三年的不懈努力，全球第一款“固冷”無(wú)液氦醫用超導磁共振產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)國家藥品監督管理局（NMPA）的注冊審批，即將上市。

就先進(jìn)的超導磁體固冷技術(shù)及其行業(yè)應用，器械之家對我國強電磁工程與技術(shù)領(lǐng)域專(zhuān)家王秋良先生及國內醫械行業(yè)企業(yè)代表朗潤醫療的創(chuàng )始人唐昕先生進(jìn)行了一次對話(huà)。

01

固冷技術(shù)實(shí)現多項突破

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

王秋良（中國科學(xué)院院士，強電磁工程與技術(shù)專(zhuān)家）：傳統有液氦的超導磁體，是把超導線(xiàn)圈全部浸泡在液氦中，液氦能夠迅速帶走超導線(xiàn)圈中的熱量，使其穩定在超導狀態(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，重新轉化為液態(tài)。

因此，在超導磁體的低溫容器內液氦與氣氦共存，且氦在兩種狀態(tài)間的轉化是一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程。為了避免空氣進(jìn)入超導磁體的低溫系統內造成磁體故障，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磁體與傳統超導磁體類(lèi)似，二者主要區別在于：少液氦超導磁體的超導線(xiàn)圈并不是完全浸泡在液氦中，而是通過(guò)特殊設計使超導線(xiàn)圈僅局部與液氦接觸，從而維持線(xiàn)圈的超導狀態(tài)。少液氦超導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(huì )變成壓力巨大的容器。

無(wú)液氦超導磁體（左）、常規超導磁體（右）結構示意圖

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

由此可見(jiàn)，固冷磁體與傳統的超導磁體維持低溫方式是完全不同的。由于固冷磁體不使用氦，內部完全密封，不用像傳統超導磁體那樣考慮內外壓力差的問(wèn)題，此外，如果低溫系統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)而讓超導線(xiàn)圈處在更低溫的狀態(tài)，從而提高了超導線(xiàn)圈的穩定性。

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(xiàn)圈始終在真空中，磁體內部沒(méi)有高壓容器，沒(méi)有低溫液體，其安全性較傳統超導磁體和少液氦超導磁體更高。

唐昕（朗潤醫療創(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 )對磁體的熱穩定性有一定影響，我們針對這方面進(jìn)行了大量的技術(shù)優(yōu)化和測試驗證工作，經(jīng)過(guò)20個(gè)月的全面實(shí)測，分析了1000余例掃描數據，在各種實(shí)際掃描應用條件下，MRI系統的成像性能良好，超導線(xiàn)圈始終保持超導狀態(tài)，磁體穩定性良好。

朗潤“固冷”無(wú)液氦超導磁共振產(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磁體也全部實(shí)現了國產(chǎn)化。

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

02

節約戰略資源

提升產(chǎn)品性能

器械之家：既然固體傳導制冷技術(shù)的磁體不使用液氦，那么一旦這種磁體能夠推廣應用，超導MRI未來(lái)對液氦的需求將會(huì )大幅減少，這對于MRI行業(yè)應該有比較重大的意義。從專(zhuān)業(yè)角度來(lái)看，固體傳導制冷技術(shù)的應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，也是極其重要的戰略資源，我國氦氣資源非常有限，大約90%以上的氦氣需要進(jìn)口，且主要依賴(lài)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(huì )對我國超導MRI供應商及醫院用戶(hù)造成較大的影響。

據統計，超導MRI設備使用的氦占據全球氦用量的20%，是氦用量最大的行業(yè)。受資源開(kāi)采及國際貿易等因素的影響，氦氣價(jià)格波動(dòng)較大，近年來(lái)價(jià)格一路上漲，對我國超導MRI供應商及醫院用戶(hù)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(lài)，是各MRI供應商面臨的巨大挑戰，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)品能夠推廣應用，將會(huì )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)的超導磁體也為產(chǎn)品帶來(lái)更多可能性。

傳統的超導磁體在產(chǎn)品發(fā)貨、運輸的過(guò)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(guò)程中常常無(wú)法供電會(huì )造成較多液氦損耗，因此，對這種磁體的運輸時(shí)間、運輸方式、路徑選擇、安裝場(chǎng)地等方面都有較多限制，尤其對于海外運輸和海外客戶(hù)裝機就更加復雜。

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

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

03

應用前景廣闊

器械之家：兩位專(zhuān)家能不能帶我們暢想一下，固冷技術(shù)和采用固冷技術(shù)的超導磁體除了在醫院影像科的應用外，在未來(lái)有哪些其他領(lǐng)域的應用？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會(huì )？

唐昕：我們作為超導MRI的供應商，在這方面做過(guò)一些思考。固冷技術(shù)的應用使得超導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)設備。

我們可以設想一種移動(dòng)式的超導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)際的一種設想是車(chē)載式的超導MRI，這種系統平時(shí)是不帶磁場(chǎng)的，需要執行任務(wù)時(shí)可立即出發(fā)，布署到位后可供電運行。相較于傳統超導MRI，將這種固冷MRI系統車(chē)載化，既不要求運輸過(guò)程中供電，又不消耗液氦，尤其適用于戰備、災難救援和防疫應急等特殊場(chǎng)景。

王秋良：你說(shuō)的這些都非常有應用前景。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(chē)，就能夠充分利用上固冷技術(shù)，通過(guò)在列車(chē)的特定位置安裝固冷超導磁體，實(shí)現列車(chē)車(chē)身與軌道之間的無(wú)接觸的懸浮和導向，相較于使用傳統超導磁體可大幅提升列車(chē)行駛安全性。除了交通行業(yè)的應用外，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)的應用，這個(gè)技術(shù)的應用前景非常廣闊。

王秋良

◆ 中國科學(xué)院院士，強電磁工程與技術(shù)領(lǐng)域專(zhuān)家，中國科學(xué)院電工研究所研究員、博士生導師。中電機工程學(xué)會(huì )高級會(huì )員，中國電工技術(shù)學(xué)會(huì )高級會(huì )員，IEEE Members會(huì )員，美國MIT物理系客座教授。

◆ 從事高磁場(chǎng)超導磁體科學(xué)研究30年，是超導磁體與強磁場(chǎng)應用領(lǐng)域資深專(zhuān)家，在強電磁裝備、無(wú)液氦超導磁體、磁共振設備等領(lǐng)域多有建樹(shù)，取得一系列創(chuàng )新的科學(xué)研究成果。成果應用于大科學(xué)設施、醫療、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)及應用專(zhuān)業(yè)博士、碩士，北京大學(xué)物理系本科。朗潤醫療創(chuàng )始人，現任朗潤醫療董事長(cháng)、總經(jīng)理。

◆ 國家“萬(wàn)人計劃”科技創(chuàng )業(yè)領(lǐng)軍人才，科技部創(chuàng )新人才推進(jìn)計劃科技創(chuàng )新創(chuàng )業(yè)人才，中國醫械協(xié)同創(chuàng )新組織第一品牌獨墅聯(lián)盟副會(huì )長(cháng)。

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