Prisma 3.0T磁共振運行狀態監測研究

山東第一醫科大學附屬省立醫院 醫學工程管理辦公室，山東 濟南 250021

引言

現今，磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）已成為臨床診斷不可或缺的影像工具。它利用特斯拉級的磁場對人體中自旋的氫質子進行磁化，并通過射頻脈沖引發的磁共振躍遷而成像。隨著現代物理、數學、電子、機械、化學、計算機等學科的發展，MRI設備與技術也在不斷的更新換代。從最原始基于簡易硬件的磁共振信號獲取，到后來圖像信號的智能化分析處理，磁共振經歷了由簡單到復雜、由低場到高場、由單一到智能的發展歷程[1]。一般而言，磁共振系統由硬件和軟件兩部分組成。硬件結構包括主磁場、梯度、射頻、冷卻以及控制系統等；軟件部分包括圖像工作站、圖像獲取、圖像處理、圖像重建以及各種圖像軟件包。

一直以來，為了縮短磁共振的掃描時間、降低噪聲水平、提高圖像質量，研究者們更加關注于硬件技術的革新和軟件功能的升級。他們的研究主要集中在圖像處理[2-4]、臨床應用[5-7]、新技術進步[8-9]、圖像質控[10-13]以及維護保養[14]等領域，但對磁共振設備運行狀態的實時監測方面的研究很少涉及。MRI系統的微細物理運行參數的監測，具有以下重要意義：① 能夠獲取設備運行的過程趨勢數據，及時了解液氦冷卻微環境，把控設備運行微性能，為預知性維護的開展提供了數據支撐，達到節省維護保養成本、降低停機時間的目的[15]；② 基于磁共振監測過程中的異常狀態變化，找到設備的硬件系統易損點，能夠指導研發人員在硬件上進行設計改進；③ 把磁共振監測的物理參數與圖像清晰度相關聯，找到可能影響圖像質量的因素，有利于推進圖像質量的提升；④ 在設備運行監測的同時，MRI掃描量信息也被獲取，為分析掃描工作量與設備物理參數變化之間的關系提供直接的證據，從而為多品牌、多型號磁共振性能對比與穩定性評價提供精確數據參考[16]。

現今，為了彌補磁共振研究不足，達到上述目的，本文初步提出了運行狀態實時監測研究方案。在研究中，選取了我院最新引進的Prisma 3.0T高端科研型磁共振作為研究對象，并應用數據采集裝置與其相接，實現各傳感器系統的實時讀取，同時獲得對系統運行狀態的數據反饋，從而達到磁共振運行狀態微監測的目的。

1 監測裝置及原理

該監測裝置是基于物聯網的Aquiferre型設備，主要由Intel Xeon CPU中央服務器、SBC（Session Border Controller）物聯網處理模塊、256 bit雙向加密傳輸和存儲單元、基于阿里云等保三級云服務平臺、遠程控制應用模塊以及同步移動終端組成，其與千兆交換機配合使用，并與磁共振系統的網口相接，實現磁共振系統的運行日志及狀態的實時讀取。該系統能獲取的物理參數包括液氦壓力、壓力平衡加熱功率、冷頭溫度、屏蔽層溫度等，掃描參數包括開關機時間、每天掃描人數、掃描時常、掃描部位等。

該裝置與智能化的質控管理系統聯用，能實現設備性能評估、自動數據分析、成本效益分析、月度報表形成。如磁共振出現異常或故障，其會出現報錯信息及代碼，并向移動終端自動推送。在磁共振系統中，為了保證液氦含量、冷頭溫度的監測實時處于穩定狀態，其分別配有2個液面傳感器和2個溫度傳感器（一個常用、一個備用），監測精度分別可達±0.05%、±0.1 K以上。液氦壓力、壓力加熱平均功率的監測精度分別可達±0.05 psi、±0.1 K以上。系統連接結構示意如圖1所示，監測開始時間為2019年2月17日。

圖1 磁共振數據監測的結構連接

2 結果和討論

磁共振主磁場線圈的超導特性的保持由液氦完成[17]。液氦的含量直接影響主磁場線圈的物理性能和圖像質量。為了探究Prisma在運行過程中液氦含量的變化，我們繪制了液氦水平隨時間變化的曲線，結果如圖2所示。其中，截止日期為4月31日，監測共持續73 d。能夠看到，在設備運行開始的前12 d內，液氦水平保持為一穩定的常數73.4%。隨著天數的增加，在第13天，液氦含量變為73.2%，減少了0.2%。之后的60 d內，液氦水平在72.9%～73.2%之間波動，波動范圍為0.3%。在這段波動的60 d內，保持在73.2%的天數為42 d，其中持續最長的兩段時間分別為11 d和8 d；保持在72.9%水平的時長為19 d，其中持續最長的兩段時間都為3 d。可見，液氦水平在這段時間內出現了異常變化，即出現了微量消耗的現象，并且在這種微量的消耗之后，液氦含量呈現不穩定的波動。液氦的消耗可能有兩個原因導致：① 液氦壓縮機、水冷機組和空調機組異常且這種異常沒有被及時處理[18]；② 液氦環境系統內部元件的偶發故障。因在使用過程中，未出現冷卻系統的故障，因此，我們推斷在第13天時液氦含量的消耗和消耗后的波動，可能是系統內部元件的不穩定性造成的。

Prisma磁共振的液氦壓力隨時間變化的曲線如圖3所示。壓力是反應液氦實時狀態的重要參數，由圖中可以看到，在監測進行的第13天，液氦壓力突然由恒定值15.5 psi上升到16.9 psi，上升幅度為1.4 psi，超出了報警線16 psi，超出量為0.9 psi。在第14天時，液氦壓力又回到了報警以下的正常值。在磁共振實際的工作中，這種液氦壓力的突增并沒有影響其正常運行，但是這正與圖2中的液氦含量在第13天時的消耗相吻合。在液氦腔空間體積不變的情況下，其壓力的上升必由液氦的汽化引起的，當這種汽化不能通過其他部件參數變化來調節時，液氦壓力就會超出報警線。為了不因壓力的升高而對系統造成的損害，少量的氦氣會隨之排出，導致最后的液氦損失以及損失后的不穩定波動。說明液氦壓力的變化，會使液氦產生失散現象，并導致其不穩定波動。

圖3 液氦壓力隨時間的變化

圖4給出了冷頭溫度隨時間變化的曲線。在第13天，冷頭溫度由原來的平穩值41.6 K升高到峰值77.6 K，升高了36 K。緊接著，在第14天，冷頭溫度回到了報警線以下的44.4 K。在冷頭溫度回到報警線以下之后，出現了2.8 K溫度微小的波動，直到第39天才恢復平穩狀態的溫度42.3 K。可見，這一異常變化導致了冷頭溫度比初始的平穩值上升了0.7 K。冷頭溫度的升高會伴隨著液氦壓力的增大，即36 K的冷頭溫度升高會使壓力升高1.4 psi，液氦壓力上升率為0.039 psi/K。冷頭溫度的變化最直接的影響部件為冷頭，如冷頭的物理性能發生微弱的異常，必定會導致溫度的異常升高或下降。冷頭經過異常升溫后回到了穩定值42.3 K，但比初始值的41.6 K有所增加，這可能是由于液氦含量損失后，其需要更多的溫度來維護液氦壓力15.5 psi的恒定值。也就是說，在Prisma磁共振正常運行的狀態下，液氦含量的變化會影響冷頭溫度的平穩值。

圖4 冷頭溫度隨時間的變化

由于液氦需要保持4 K左右的恒定溫度，這需要壓力加熱部件與冷卻系統的密切配合。當液氦溫度上升時，冷頭制冷量加大，溫度隨之下降；當溫度下降到一定程度后，壓力加熱部件開始工作，使液氦溫度稍微上升，從而保持液氦溫度的平衡狀態。壓力加熱部件的平均功率隨時間的變化規律如圖5所示。可見，初始壓力加熱平均功率為0.9 W，在第10天的時候出現了一次0.1 W小幅度下降。到第13天降為0，即與圖3和4中液氦壓力和冷頭溫度出現的最高值同時發生，這也體現了壓力加熱平均功率與冷頭溫度之間的相互制約關系。在出現液氦壓力和冷頭溫度上升的前期，壓力加熱平均功率已經出現了輕微的異常。與液氦壓力和冷頭溫度變化不同的是，當第14天的時候，壓力加熱平均功率變為0.1 W，而不是直接增加為平穩狀態下的0.9 W，出現了平均加熱功率的延遲恢復現象，即經過0.1 W的過渡后，之后再回到平穩值。壓力加熱平均功率在第19天又出現了1次0.1 W的輕微波動。液氦壓力和冷頭溫度的異常變化幾乎同時出現，但壓力加熱平均功率是在它們異常之前就已經產生了輕微變化。液氦壓力的異常能很快恢復，但是冷頭溫度和壓力加熱平均功率的恢復需要一定的過渡時間。我們能夠推斷壓力加熱平均功率的異常波動，使冷頭溫度異常升高，導致液氦壓力的增大，最終使液氦含量產生損失。在這個過程中，冷頭溫度、壓力加熱平均功率、液氦含量三者協同變化，以期保持液氦壓力的恒定。

圖5 壓力加熱平均功率隨時間的變化

上述體現了液氦壓力、冷頭溫度、壓力加熱平均功率三參數之間的相互變化，以及它們的變化對液氦含量產生的影響。在同一時間段內，液氦含量、冷頭溫度和壓力加熱平均功率之間的協同關系如圖6所示。其中，縱坐標為任意單位。可見壓力加熱平均功率最先產生了微弱的波動，在經過2 d的穩定狀態后，第3天同時出現了冷頭溫度上升、壓力加熱平均功率下降、液氦含量散失的連鎖反應。從時域范疇來看，壓力加熱平均功率的不穩定波動與突然下降，導致了冷頭溫度瞬間升高，升高的冷頭溫度使液氦腔的壓力上升，進而影響了液氦含量。可見，三者雖然看似瞬時發生，但仍存在先后順序。在連鎖反應發生后，首先回到平穩狀態的參數為冷頭溫度，其次為壓力加熱平均功率和液氦含量。與冷頭相比，壓力加熱平均功率器件更易產生不穩定狀態，而且其恢復到穩定狀態的能力也較差。因此，在Prisma 磁共振的設計中，可以重點關注壓力加熱平均功率器件的檢測與校正。

圖6 冷頭溫度、壓力加熱平均功率、液氦含量三者協同關系

磁場屏蔽層起到磁場屏蔽和維護磁場均勻性的作用，在正常狀態下，磁場內外屏蔽層的溫度也要稍高于冷頭溫度[19]。通過讀取溫度傳感器數據得到了磁場內外屏蔽層溫度隨時間變化的曲線如圖7所示。可見，內、外磁屏蔽層的溫度都隨著冷頭溫度的變化而變化的，并且在第13天出現溫度的極大值。所不同的是內、外屏蔽層溫度的恢復呈現由高到低逐漸變化的趨勢，即經過4 d時間，恢復到最初的平穩值51.4 K和54.2 K，最大變化量分別為13.9 K和21.5 K，遠小于冷頭溫度的變化量36 K。可知，第13天的異常對冷頭溫度的影響較大，恢復時間也相對較長；對內外屏蔽層溫度的影響較小，恢復時間也相對較短。由于液氦腔內的制冷部件為冷頭，冷頭對的內、外磁屏蔽層溫度的傳導存在一定的距離，傳導過程中會造成溫度的散失和溫度的升降延遲。因此，磁屏蔽層溫度總高于冷頭溫度，對超限的反應也相對較不敏感，這就造成了內、外屏蔽層溫度恢復的漸緩現象。

圖7 磁屏蔽層的溫度隨時間的變化

除了應用數據采集系統對液氦壓力等Prisma磁共振物理參數實時監測外，本文還得到此臺機器的掃描量和掃描方法等信息。Prisma在4月份每天的掃描量變化趨勢如圖8所示。從圖中能夠看出，正常工作日的檢查量最高為44例、最低為30例，遠高于節假日和周末檢查量的最高23例、最低17例。通過計算，整個月份的總檢查人數為948人次，每日平均檢查人數為31.6人次。同時，我們也對掃描成像所使用的方法進行了統計，如圖9所示，發現有472例的患者進行了普通掃描，占總掃描人數的50%，其它成像方式包括動態增強掃描、血管造影成像、常規彌散加權成像和化學位移成像分別占50%、31%、18%以及0.95%。從側面反映出，這臺Prisma磁共振的功能還沒有完全得到使用，其所具備的軟件包功能有待進一步開發。通過這些數據的獲得，我們能對Prism磁共振的使用效率和功能配置進行分析，并以此對其新的功能進行配置開發和使用，從而達到最優化使用目的。

圖8 4月份掃描數隨時間的變化

圖9 某月份各掃描方式占比

3 結論

本文已經對Prisma磁共振在運行過程中的液氦含量、液氦壓力、冷頭溫度、壓力加熱平均功率和磁場屏蔽層溫度等主要參數進行了實時監測，并對在此過程中出現的物理量偏離進行了詳細的分析。液氦水平會因液氦壓力和溫度上升等因素出現總含量散失的情況，并在散失之后較長的一段時間內，液氦含量維持在0.3%的穩定波動狀態。通過分析液氦壓力、冷頭溫度、磁場屏蔽層溫度和壓力加熱平均功率的異常，發現這四個物理參量密切相關，并且幾乎同時報警。在出現異常之前，壓力加熱平均功率出現了0.1 W的下降，能夠推斷出現液氦壓力、冷頭溫度等的異常可能由壓力加熱平均功率的異常波動導致。液氦壓力和冷頭溫度的異常變化能在較短的時間內能回到初始狀態，但壓力加熱平均功率和磁場屏蔽層溫度異常的恢復需要相對較長的時間。另外，利用數據采集Aquiferre系統獲得的掃描數據，對單月的掃描量進行了統計和分析，并對所使用的掃描成像方法進行了占比匯總，為后期Prisma的功能充分利用提供了數據借鑒。