法国CEA 11.7T巨无霸磁体的研发与磁场测量

 

法国原子能和替代能源委员会(CEA)与西门子医疗合作研发11.7大型全身磁共振成像（MRI）磁体。

NeuroSpin研究中心是一个大型的神经影像实验室，11.7T MRI项目在研究中心称为“ Iseult”，旨在通过推动MR Imagers的极限来了解大脑的工作方式。除了Iseult之外，研究中心还拥有几种工业MRI，可用于在较小的磁场下拍摄人体图像，包括几乎已经上市的3T MRI扫描仪和全身西门子7T MR成像仪。另外，还有一个用于老鼠的17T磁铁。在这些成像仪中，Iseult凭借其11.7 T的磁场和90 cm的孔径而脱颖而出。

 

关于该项目的研究和开发，Metrolab公司对CEA的Quettier博士进行了专访，对项目做了整体的了解。

 

项目启动

2000年代初启动Iseult项目，2004年7月，Irfu根据Guy Aubert教授设想的创新磁设计完成了磁体的初步设计。几个月后，法国和德国签署了开发这种高场成像的合作协议，并于2006年获得了Iseult项目的资金。在没有任何公司有能力或愿意率先建造巨型磁体的情况下， CEA自然选择了Irfu。的确，Irfu在诸如HERA和LHC四极子（粒子加速器），Aleph，ATLAS，CMS（粒子探测器）或Tore Supra（融合）等超导磁体的开发，制造和测试方面拥有丰富的经验。 磁场越强，分辨率越高。使用3 T磁体，分辨率约为1 mm。使用Iseult，我们希望获得10倍的分辨率，并获得大约1/10毫米的分辨率。

90厘米开口的意义

MRI扫描仪不仅仅是一块磁铁。较大的孔径为设备提供了更大的空间，使其可以放置在孔内，但远离感兴趣的区域：这降低了干扰的风险。例如，我们需要梯度线圈来生成脉冲场并测量核磁共振（NMR）。梯度线圈需要远离电磁线圈以限制磁耦合，这会破坏结果。韩国和美国的其他项目也以11.7 T的速度运转，中心孔只有68 cm。较大的孔洞开辟了不仅对大脑而且

 

磁铁制造的主要过程

从2006年到2010年，我们进行了研发阶段，以验证磁体中使用的技术概念。例如，我们使用了由超导铌钛（NbTi）线制成的创新双线圈。我们与阿尔斯通（Alstom）合作开发超导电缆。

从项目一开始，我们就决定将磁体的工作温度设为1.8 K，这是大型强子对撞机（LHC）磁体或Tore Supra托卡马克（CEA Cadarache）的典型温度。但是，没有其他已知的MRI磁体在超流体氦气中工作，因此在研发阶段，我们不得不研究压力升高的影响，注意淬火的风险，淬火是不可逆转的损坏源。

我们还研究了系统的机械方面。例如，冷重支撑系统和锚的形状必须经过验证。与其他MRI磁体相反，我们以驱动模式运行Iseult，并采用了创新的电流稳定系统，这也需要大量的研发工作。

从2010年到2017年，磁铁由阿尔斯通/ GE在法国贝尔福制造。 CEA / Irfu与阿尔斯通之间的紧密合作是由CEA技术人员嵌入车间的阿尔斯通技术团队中进行的。没有贝尔福阿尔斯通团队的努力，伊苏尔就不会发生。

然后在2017年5月19日，GE将磁铁交付到了法国的Saclay。由于磁铁的大小和重量，转移和安装并不容易。此外，我们必须建立与磁铁生产并行的磁铁运行设施。这些设施包括带有冷箱的低温工厂，电源，控制和安全系统，以及在断电时提供备用电池。所有这些工作将我们带到了2018年10月。然后，我们开始了冷却过程，从2018年11月初到2019年3月初，这花了四个月的时间。我们的重量约为100吨，从300 K冷却到1.8K。

 

Metrolab磁场相机是一种新的测量系统，使我们能够评估Iseult的磁场。有了这个支持，在第二次上升到11.7 T的过程中，我们能够对磁场进行微调并将其映射。

 

Metrolab磁场测量

关于测量质量，该系统运行良好。我们已经拥有测量1.5 T和7 T的Metrolab探头阵列，以及来自Siemens（该项目的合作伙伴）的2.89T探头阵列，因此我们已经为这些强度生成了现场图。当我们使用11.7 T探头阵列进行测量时，我们达到了其他探头阵列所预测的结果，并且与被测线圈的几何形状预期的结果相符。

我们需要一个非常均匀，稳定的磁场来获得准确的图像。现在，我们仍然需要通过使用位于磁体孔内部的铁垫片校正磁场来调整均匀性（目标为0.1 ppm）。我们还开发了一个限流器来控制流入磁体的电流。我们必须在完整的调整阶段重复这些磁场测量，这将在2020年秋季进行。

因此，Metrolab磁场相机对于生成11.7 T磁场的图至关重要。我们还使用了探头阵列的中心宽范围探头来测量磁场和磁通量的稳定性。使用宽范围探头，我们可以确认设置，以达到每小时0.05 ppm的漂移指标。经过四个小时的测试，Metrolab探头每小时测得的漂移约为0.04 ppm，因此尽管仍需进行调整，但数量级仍然存在。

 

Metrolab产品应用于Iseult

我们从一开始就使用了Metrolab产品，在研发阶段快要结束时，我们制造了一个1.5 T磁体，旨在证明通过制造卷取技术，我们可以实现足够的磁场均匀性，从而制成MR成像仪。我们使用了Metrolab经典的磁场相机来绘制磁体。然后，我们要求Metrolab开发11.7 T映射系统，因为目前尚无此系统。我们选择Metrolab是因为半月形探头阵列绕轴旋转的方法对我们来说是测量磁场的正确方法。

在项目开始之初，Metrolab就参与了Iseult，因为Metrolab与CEA建立了长期的合作关系。那时，无法使用磁场相机MFC3045来测量如此高的磁场，但是Metrolab已经在开发新一代的精密特斯拉计PT2026，这成为了新一代磁场相机MFC2046的基础。

张图像

目前，我们正在磁体上及其周围安装MRI设备，例如法拉第笼。这意味着我们无法打开电源。从2020年开始，我们将重新使用电流以调整磁场的均匀性。然后，我们将继续调试设备，以达到“高可用性和高可靠性模式”。

目前，低温装置可以正常工作。该系统在工作时间以外仍无人值守，如有问题，可随时联系技术支持人员。但是，我们的保护系统尚未达到允许我们在11.7 T保持无人看管的水平。整个MRI系统将进入“高可用性和高可靠性模式”。

 

从4月起，西门子将为患者安装设备，渐变镜，天线和治疗床。然后，我们将装配磁铁，使其看起来更像MRI扫描仪，这将使我们到2020年底。目标是在2020年底之前，将所有MRI设备的磁铁恢复到11.7T。我们在2021年初进行的终调整，并计划在2021年4月至5月拍摄张照片。

 

科学永无止境

我们知道另外两个14 T的项目处于蓝图阶段，一个在中国，另一个在荷兰。 德国海德堡的一个项目因缺乏资金而被取消。

 

在调试结束时，NeuroSpin团队将接管Iseult来获取图像并检查所有结果。 展望未来，在Irfu，我们还有其他项目，像Iseult一样具有挑战性和挑战性，但在不同的科学领域，例如粒子探测器，也需要高磁场。 我们将转让Iseult期间开发的所有技术和专有技术。