Особенности применения жидкого гелия в медицинском оборудовании

В медицине применяются различные промышленные газы в различном агрегатном состоянии. Лечебные газообразные смеси используются для стимуляции дыхания в различных случаях. Жидкий азот применяется в криохирургии, для ингаляционного наркоза, в оперативной гинекологии и хирургии. Хлор перевозят в жидком агрегатном состоянии, после чего применяют для обеззараживания воды и т. д.

Мы рассмотрим перспективное направление медицины, связанное с другим промышленным газом – сжиженным гелием.

Свойства гелия

Он выглядит как жидкость без цвета. Закипает при температуре равной -268,9 по Цельсию. В таких условиях плотность жидкого гелия равняется 124,9 кг/м³. Увидеть его невооруженным глазом трудно, так как показатель преломления света у него очень мал.

При создании специальных условий, это вещество преобразуется в квантовую жидкость. Что означает, в макроскопическом объеме атомы He проявляют свои квантовые свойства.

Сжиженные изотопы гелия-3 и гелия-4 считаются классическими примерами квантовых жидкостей.

А смесь этих двух веществ позволяет достичь сверхнизкой температуры 0,7 К.

В условиях нормального давления гелий даже при абсолютном нуле не будет затвердевать. В твердом агрегатном состоянии He можно получить только в том случае, если давление поднимется за границу 25 атмосфер.

Переход между фазами у этого вещества прекрасно заметен, это становится видно, когда гелий перестает кипеть, и жидкость получается абсолютно прозрачной. Вещество продолжает испаряться, но только с поверхности. Когда начинается сверхтекучая фаза, теплопроводность значительно повышается – разница составляет несколько миллионов раз, а вот в нормальном состоянии вязкость не меняется.


Сверхтекучесть – это способность жидкого гелия избегая процесса трения проходить сквозь мельчайшие (диаметром менее 100 нм) отверстия. Именно это свойство позволяет получить аномально высокую проводимость тепла, ведь процесс теплопередачи происходит за счет конвекции вещества, находящегося в нормальном состоянии, при противотоке сверхтекучего вещества.

Жидкий гелий и его применение для мед-оборудования

Основное применение жидкого He в медицине – аппараты МРТ.

В 1960 году Владиславом Ивановым, лейтенантом армии СССР был изобретен Магнитно-Резонансный Томограф, который в работе должен был использовать сжиженный гелий, идею не поддержали, но спустя 13 лет американцами был воплощен в жизнь этот проект.

В результате метод МРТ считается открытием Питера Мэнсфилда и Пола Лотбера, в 2003 году им была присуждена премия Нобеля за это изобретение. Первым же исследователем, который держит патент на это оборудование является Реймонд Дамадиан, он создал первый в мире коммерческий сканер на основе этих полученных знаний.

  • Функционирование первых томографов основывалось на использовании тяжелых постоянных магнитов.

  • Потом их заменили резистивные магниты с воздушным сердечником. Они были меньшей массы, но в процессе работы требовали много электроэнергии.

  • Следующим этапом стали магниты с использованием сверхпроводящих веществ. Постоянное магнитное поле создавалось при помощи специальных катушек, погруженных в емкость со сжиженным He. Во время работы аппарата магниты и другие части прибора очень сильно нагревались. Использование жидкого гелия обеспечивало системе температурную стабильность.

Последующее развитие в данной области применения гелия происходит в сторону увеличения экономичности.

Создавались смеси изотопов He с температурой кипения до 0,3 К. А также искали способы замедлить выкипание хладагента.

В современных аппаратах МРТ обмотки охлаждаются при температуре близкой к абсолютному нулю 4,2 К. Кроме того, придуманы и введены в применение двух- и трехступенчатые охладители, работающие гелиевым реконденсором. Эти меры нужны для того, чтобы уменьшить потери дорогостоящего сжиженного газа, и снизить число заправок томографа.

Наиболее сейчас наиболее экономичные томографы могут заправляться раз в 10 лет. Но у большинства частота заправок 1 раз в 4 года. Устаревшие модели требуют ежегодной заправки.

 

гелий

Преимущества использования жидкого гелия

Для охлаждения деталей аппаратов МРТ применяются и другие сжиженные промышленные газы. В основном: азот и фреон. Есть модели томографов с охлаждением водой.

Но при этом все же именно дорогостоящий инертный газ чаще всего используется в медицинском оборудовании. Это связано с несколькими основными аспектами:

  • Гелий – наиболее холодная из известных жидкостей. Его высокая теплопроводность позволяет наилучшим образом проводить охлаждение.

  • Расход вещества при заправке томографа небольшой, и аппарат нужно пополнять им реже, чем другими криогенными веществами.

  • Отвечает всем требованиям пожарной и экологической безопасности. Класс опасности – 2.1 (невоспламеняющиеся неядовитые газы). Не взрывоопасный, не горючий, не токсичный (в отличие от фреона), химически пассивный.

  • Небольшой вес делает его удобным в эксплуатации и транспортировке.

Магнитно-резонансная томография

Большинство современных аппаратов магнитно-резонансного обследования работает с использованием гелия.

Сейчас МРТ один из точнейших инструментов медицинской диагностики. С ним можно создать объемные модели мозга, легких, печени, или любых других органов с мягкими тканями. Измерить скорость движения спинномозговой жидкости или узнать скорость кровотока. Рассмотреть, какой участок коры головного мозга начинает работать в зависимости от того, чем исследуемый занят.

Существуют несколько методов исследования с помощью магнитно-резонансной томографии: МР-ангиография, перфузионные исследования, диффузная спектральная томография, МР-спектроскопия, функциональная МРТ.

Основные достоинства:

  • При обследовании врач имеет возможность выбрать, какие части тела больного следует просканировать.

  • Можно быстро получить изображения нескольких сечений исследуемой ткани, что невозможно при использовании рентгена.

  • Аппаратура и особенности метода обследования делают возможным управление масштабом изображения для более тщательного осмотра интересующего органа.

  • МРТ позволяет наблюдать за изменением направления течения различных жидкостей в теле человека, таких как кровь или лимфа, а также за их вязкостью.

  • Томография дает возможность получать максимально точное изображение той или иной патологии при достижении определенного соотношения между параметрами настроек.

  • Магниты большой мощности, используемые в оборудовании для сканирования, не оказывают вредного действия на человека. МРТ не использует ионизирующего облучения, поэтому не наносит ущерба здоровью врача, проводящего процедуру, а также может использоваться для обследования маленьких детей и беременных женщин. Хотя в их случае прибегать к такому исследованию все же лучше только в случае крайней необходимости.

  • В отличие от снимков, сделанных в результате рентгеновских исследований или УЗИ, МРТ позволяет с высокой контрастностью изобразить мягкие ткани. Разные участки органов и тканей будут отображаться по-разному. Из-за чувствительности томографа к присутствию водорода и изотопов в органах, изображение не будет искажено из-за фона от костных тканей, так как в них концентрация водорода ниже.

  • Томографическое исследование позволяет рассмотреть все элементы сосудистых систем без использования специальных средств.

  • С помощью данного вида обследований можно найти и рассмотреть объекты размером в десятые доли сантиметра. И при необходимости получить снимок их продольного и поперечного среза.

  • Контрастность картинки может усиливаться в зависимости от содержания определенных химических соединений.

  • Изображение, полученное с помощью данной технологии, можно легко перенести в компьютер и в дальнейшем работать с виртуальными образами фотографий.

Недостатки томографии

К минусам данного метода можно отнести:

  • Длительность процедуры. Этот метод менее чувствителен по сравнению с рентгеном. К тому же при исследовании некоторых патологий помимо самого сканирования следует наблюдать за распределением содержания определенных веществ и соединений в организме. Чтобы получить полное и четкое изображение высокого качества требуется накопить и суммировать множество сигналов. В связи с чем процедура может занимать довольно много времени.

  • Длительность процесса также увеличивает вероятность искажения получившегося изображения из-за дыхательных движений. Что влияет на точность обследования в случае заболевании легких и сердца.

  • Чувствительность к содержанию водорода уменьшает эффективность МРТ при диагностике изменений костной структуры и камней кальцификатов.

  • Существует немало противопоказаний для томографического обследования. Начиная от присутствия крупных металлических имплантатов таких, как кардиостимуляторы, заканчивая клаустрофобией.

  • Большие энергозатраты. Работа аппарата МРТ требует большого количества электроэнергии и использования дорогих веществ и технологий.

К таким веществам как раз и относится жидкий гелий.

Заправка жидким гелием

Жидкий гелий и мед-оборудование такого типа тесно связаны между собой. Для того чтобы томограф начал работать, нужно привести магнит в сверхпроводящее состояние, это достижимо тогда, когда уровень сжиженного гелия в криостате составляет не меньше половины.

Процедура заправки техники веществом ограничена разными временными рамками – от разового наполнения за несколько лет, до обновления раз в пару месяцев. Зависит этот процесс от того, насколько хорошо проходит процесс реконденсации внутри криосистемы. Чтобы техника МРТ функционировала без перебоев важно своевременно заправлять ее жидким гелием. Большинство систем требует ежегодного обновления вещества.

Важно, чтобы заправка прошла успешно и томограф исправно работал, для этого иногда приходится устранять некоторые возникающие проблемы, например, устранить разгерметизацию криостата или увеличить количество гелия в газовом контуре.

Получение гелия

Гелий – это редкий и невозобновляемый ресурс.

И 22% используемого гелия приходится на применение его в медицинской сфере.

Получают его из гелийсодержащих природных газов способом глубокого охлаждения, которое достигается дросселированием, выполняемым в несколько стадий. Для сжижения гелий охлаждается сначала жидким воздухом, а потом сжиженным водородом.

При его использовании и транспортировке необходима особая осторожность, так как он может вызвать обморожение кожных покровов или поражение оболочки глаза

Гелий, подобно всем остальным криожидкостям, хранят в специальных сосудах. В так называемых сосудах Дьюара. Он в них находится под постоянным небольшим давлением, появившимся за счет естественного испарения. Это не допускает загрязнения основой массы вещества в случае утечки.

Избыточное давление стравливается. Гелий – дорогостоящее вещество и чтобы не растрачивать его, с помощью специальной соединительной части его собирают для вторичного применения.

Емкости с гелием переворачивать нельзя, и для его переливания используют специальные сифоны.

Его перевозят в специальных сосудах типа СТГ (маркировка зависит от объема) светло-серого цвета в строго вертикальном положении без ограничений по виду используемого транспорта.

Другие статьи

врдно ли мрт
контрастная мрт диагностика
Принцип работы КТ Стоит ли покупать восстановленный аппарат МРТ?

Хотите узнать больше или заказать

Укажите ваше имя, номер телефона и дополнительную информацию по желанию,
и мы свяжемся с вами и проконсультируем по всем вопросам.