Чим викликано застосування гелія для МРТ?
Починаючи з 1979 року магніто-резонансна томографія стала основним методом безконтактної діагностики захворювань мозку, внутрішніх органів, опорно-рухового апарату. Перші томографи виготовлялися з урахуванням важких постійних магнітів. Трохи згодом їх змінили моделі, в яких використовувалися резистивні електромагніти з повітряним сердечником. Вони були набагато легшими, але споживали багато електроенергії. Пошуки розробників тривали і невдовзі стали переважати томографи з надпровідними магнітами, у яких використовувалися матеріали, які мають властивість надпровідності. Постійне магнітне поле створювалося в них за допомогою надпровідних магнітних котушок, поміщених у ванну з рідким гелієм. Необхідність цього була викликана тим, що такі потужні магніти та інші конструктивні елементи томографа під час роботи виділяли значну кількість тепла. Як відомо, рідкий гелій має найнижчу точку кипіння серед усіх відомих речовин і має властивість надплинності, яка виявляється у здатності зберігати рідкий стан навіть при абсолютному нулі. Випаровуючись, він компенсує внутрішнє виділення тепла, зовнішні теплопритоки та забезпечує температурну стабільність надпровідника. Щоб режим охолодження обмотки котушки був оптимальним, між витками був передбачений щілинний канал для проходу холодоагенту.
Сучасне використання рідкого гелію для МРТ
Подальший розвиток цієї галузі застосування рідкого гелію відбувався у напрямі підвищення економічності. У більшості моделей сучасних томографів надпровідні магніти охолоджуються при температурі 4,2 К, тобто практично при абсолютному нулі. Також останнім часом були розроблені двоступінчасті та триступінчасті охолоджувачі, що діють у режимі гелієвого рекоденсора, тобто ожижі парів гелію. Застосування сучасних кріогенних технологій дає змогу зменшити швидкість википання холодоагенту. Всі ці заходи дозволяють значно знизити витрати дорогого рідкого гелію та зменшити частоту заправок томографа їм, для кожної з яких потрібно 200-300 л цієї речовини. Середня частота дозаправок становить у сучасних моделях МРТ 1 раз на 4 роки замість звичної щорічної заправки в пристроях похилого віку. А томограф моделі Siemens Magnetom Еssenza та його аналоги, сконструйовані на базі унікальної технології нульового випаровування гелію, вимагають дозаправки лише 1 раз на 10 років.
Отримують гелій зараз із природних газів, що містять гелі, методом глибокого охолодження , Що досягається дроселюванням, що виконується в кілька стадій. Рідкий гелій виробляють із газоподібного шляхом зрідження. Оскільки він може викликати обмороження шкіри та ураження оболонки очей, під час роботи з ним потрібні певні заходи обережності.
Рідкий гелій перевозиться в спеціальних судинах типу СТГ-25, СТГ-40 світло-сірого кольору в вертикальному положенні будь-якими видами транспорту. Також передбачено його транспортування у балонах ємністю до 40 л.
Постачанням рідкого гелію займаються в наш час різні компанії, серед найвідоміших серед них «DP Air Gas». Тут завжди можна замовити рідкий гелій та інші гази, які будуть доставлені найближчим часом із дотриманням усіх необхідних вимог. Детальніше про компанію і продукцію, що нею постачається, можна дізнатися тут.
Безумовно, як холодоагенти для охолодження томографів магнітів можуть застосовуватися й інші хімічні речовини. Це рідкий азот, фреон. Існують моделі томографів із водяним охолодженням. Чому саме рідкий гелій, незважаючи на високу вартість, настільки добре прижився в медичній техніці? Це зумовлено його фізичними та хімічними властивостями.
Рідкий гелій є найхолоднішою із відомих рідин. Є також найлегшою з рідин. Є єдиним елементом, який ніколи не твердне при нормальному тиску. Має високу теплопровідність. Хімічно пасивний. Не вибухонебезпечний, не горючий, не токсичний. З цього випливає, що застосування рідкого гелію повністю задовольняє вимогам пожежної безпеки, оскільки не треба побоюватися вибуху або займання цієї речовини. Він більш зручний в експлуатації та транспортуванні через свою легкість. До уваги, вага гелію, що міститься в балоні ємністю 40 л, становить лише 1 кг. Через те, що він має найнижчу з можливих температур, набагато швидше охолоджує призначені до цього елементи томографа. Потрібні при цьому зовсім незначні кількості, тому витрата його невелика і вбудовану систему охолодження потрібно поповнювати рідким гелієм рідше, ніж іншими кріогенними рідинами. Має значення та відсутність у нього токсичності, на відміну, наприклад, фреону. А інертність рідкого гелію дає йому екологічні переваги перед іншими системами охолодження.
Цікаві факти
Вперше рідкий гелій було отримано 1908 року.
Унікальні властивості роблять його затребуваним у різних галузях. На потреби магніто-резонансних томографів витрачається при цьому близько 22% кількості, що виробляється. Американські вчені прогнозують, що через настільки інтенсивне споживання запаси гелію на Землі виснажуватимуться вже в найближчі десятиліття і закінчаться раніше нафти. У зв’язку з цим у віддаленому майбутньому планується його видобуток на Місяці.
Найпотужніший томограф, який застосовує рідкий гелій, буде створений 2015 року. Процес його творення вже досяг ключового етапу, що полягає в складанні надпровідного магніту, який має створювати магнітне поле рекордної напруженості величиною 11,5 Тесла. Для порівняння більшість томографів мають магніти, що викликають поле величиною 1.5-3 Тесла, а магніти Великого андронного колайдера – 10 Тл. Під час його створення було використано 200 км надпровідного кабелю. А загальні розміри підійдуть до розмірів космічного корабля «Союз». Побудова унікального томографа планується в єдиному екземплярі.
Для того, щоб створити звичний для нас магніто-резонансний томограф, який працює із застосуванням рідкого гелію, були потрібні справжні прориви в цілій низці наук – математики, фізики, комп’ютерної техніки. За цим винаходом тягнеться цілий шлейф Нобелівських премій, перша з яких була отримана в 1952 за спостереження явища парамагнітного резонансу.
У зв’язку із зменшенням запасу гелію на Землі вчені шукають спосіб знайти йому рівноцінну заміну для використання у магніто-резонансних томографах. Група дослідників Наньянського технологічного університету в Сінгапурі успішно проводить експерименти з охолодження лазером. Наразі вони шукають спосіб виконати охолодження при температурі рідкого гелію (-269 градусів). Якщо це буде досягнуто, вирішиться проблема пошуку нового ефективного холодоагенту в умовах виснаження запасів гелію, відпаде потреба томографів у громіздких системах охолодження, буде досягнуто економії простору, енергії, коштів.
