Жидкий гелий для МРТ

Чем вызвано применение гелия для МРТ?

Начиная с 1979 года, магнито-резонансная томография стала основным методом бесконтактной диагностики заболеваний мозга, внутренних органов, опорно-двигательного аппарата. Первые томографы производились на основе тяжелых постоянных магнитов. Чуть позже их сменили модели, в которых использовались резистивные электромагниты с воздушным сердечником. Они были гораздо легче, но потребляли много электроэнергии. Поиски разработчиков продолжались и вскоре стали преобладать томографы со сверхпроводящими магнитами, в которых использовались материалы, обладающие свойством сверхпроводимости. Постоянное магнитное поле создавалось в них с помощью сверхпроводящих магнитных катушек, помещенных в ванну с жидким гелием. Необходимость этого была вызвана тем, что столь мощные магниты и другие конструктивные элементы томографа при работе выделяли значительное количество тепла. Как известно, жидкий гелий имеет самую низкую точку кипения среди всех известных веществ и обладает свойством сверхтекучести, которое выражается в способности сохранять жидкое состояние даже при абсолютном нуле. Испаряясь, он компенсирует внутреннее выделение тепла, внешние теплопритоки и обеспечивает температурную стабильность сверхпроводника. Чтобы режим охлаждения обмотки катушки был оптимальным, между ее витками был предусмотрен щелевой канал для прохода хладагента.

Современное использование жидкого гелия для МРТ

Дальнейшее развитие этой области применения жидкого гелия происходило в направлении повышения экономичности. В большинстве моделей современных томографов сверхпроводящие магниты охлаждаются им при температуре 4,2 К, т. е практически при абсолютном нуле. Также в последнее время были разработаны двухступенчатые и трехступенчатые охладители, действующие в режиме гелиевого рекоденсора, т. е. ожижителя паров гелия. Применение современных криогенных технологий дает возможность уменьшить скорость выкипания хладагента. Все эти меры позволяют значительно снизить расходы дорогостоящего жидкого гелия и уменьшить частоту заправок томографа им, для каждой из которых требуется 200-300 л этого вещества. Средняя частота дозаправок составляет в современных моделях МРТ 1 раз в 4 года вместо привычной ежегодной заправки в устройствах более преклонного возраста. А томограф модели Siemens Magnetom Еssenza и его аналоги, сконструированные на базе уникальной технологии нулевого испарения гелия, требуют дозаправки всего 1 раз в 10 лет.

Получают гелий сейчас из гелийсодержащих природных газов методом глубокого охлаждения, которое достигается дросселированием, выполняемым в несколько стадий. Жидкий гелий производят из газообразного путем сжижения. Поскольку он может вызывать обморожение кожи и поражение оболочки глаз, при работе с ним требуются определенные меры осторожности.
Жидкий гелий перевозится в специальных сосудах типа СТГ-25, СТГ- 40 светло-серого цвета в строго вертикальном положении любыми видами транспорта. Также предусмотрена его транспортировка в баллонах емкостью до 40 л.

Поставками жидкого гелия занимаются в наше время различные компании, в числе самых известных среди них «DP Air Gas». Здесь всегда можно заказать жидкий гелий и другие газы, которые будут доставлены в ближайшее время с соблюдением всех необходимых требований. Подробнее о компании и поставляемой ею продукции можно узнать здесь.

Преимущества использования жидкого гелия

Безусловно, в качестве хладагентов для охлаждения магнитов томографов могут применяться и другие химические вещества. Это жидкий азот, фреон. Существуют модели томографов с водяным охлаждением. Почему же именно жидкий гелий, несмотря на высокую стоимость, столь хорошо прижился в медицинской технике? Это обусловлено его физическими и химическими свойствами.
Жидкий гелий является самой холодной из известных жидкостей. Является также самой легкой из жидкостей. Является единственным элементом, который никогда не отвердевает при нормальном давлении. Обладает высокой теплопроводностью. Химически пассивен. Не взрывоопасен, не горюч, не токсичен.Из этого следует, что применение жидкого гелия полностью удовлетворяет требованиям пожарной безопасности, поскольку не нужно опасаться взрыва или воспламенения этого вещества. Он более удобен в эксплуатации и транспортировке ввиду своей легкости. К сведению, вес гелия, содержащегося в баллоне емкостью 40 л, составляет всего 1 кг. Из-за того, что он обладает наиболее низкой из возможных температур, гораздо быстрее охлаждает предназначенные к этому элементы томографа. Требуются для этого совсем незначительные количества, поэтому расход его невелик и встроенную систему охлаждения нужно пополнять жидким гелием реже, чем другими криогенными жидкостями. Имеет значение и отсутствие у него токсичности, в отличие, например, фреона. А инертность жидкого гелия дает ему экологические преимущества перед другими системами охлаждения.

Интересные факты

Впервые жидкий гелий был получен в 1908 году.
Уникальные свойства делают его востребованным в различных областях. На нужды магнито-резонансных томографов расходуется при этом около 22% производимого количества. Американские ученые прогнозируют, что из-за столь интенсивного потребления запасы гелия на Земле истощаться уже в ближайшие десятилетия и закончатся раньше нефти. В связи с этим в отдаленном будущем планируется его добыча на Луне.

Самый мощный томограф, применяющий жидкий гелий, будет создан в 2015 году. Процесс его созидания уже достиг ключевого этапа, заключающегося в сборке сверхпроводящего магнита, которому предстоит создавать магнитное поле рекордной напряженности величиной 11,5 Тесла. Для сравнения — большинство томографов имеют магниты, вызывающие поле величиной 1.5-3 Тесла, а магниты Большого андронного коллайдера — 10 Тл. При его создании было использовано 200 км сверхпроводящего кабеля. А общие размеры приблизятся к размерам космического корабля «Союз». Построение уникального томографа планируется в единственном экземпляре.

Для того, чтобы создать привычный для нас магнито-резонансный томограф, работающий с применением жидкого гелия, потребовались настоящие прорывы в целом ряде наук – математике, физике, компьютерной технике. За этим изобретением тянется целый шлейф Нобелевских премий, первая из которых была получена в 1952 году за наблюдение явления парамагнитного резонанса.

В связи с уменьшением запаса гелия на Земле ученые ищут способ найти ему равноценную замену для использования в магнито-резонансных томографах. Группа исследователей Наньянского технологического университета в Сингапуре успешно проводит эксперименты по охлаждению лазером. Сейчас они ищут способ выполнить охлаждение при температуре жидкого гелия (-269 градусов). Если это будет достигнуто, решится проблема поиска нового эффективного хладагента в условиях истощения запасов гелия, отпадет потребность томографов в громоздких системах охлаждения, будет достигнута экономия пространства, энергии, денежных средств.