醫(yī)院MRI室氦氣泄露模擬

李 席，嵇文靜，歐陽翠，孫蕭蕭，周 密,，許曉光

(1.蚌埠學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030；2.南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京 210094；3.安徽祥源科技股份有限公司，安徽 蚌埠 233030)

0 引言

磁共振成像(MRI)設(shè)備是當(dāng)前醫(yī)院較先進(jìn)、價(jià)格昂貴和需求量大的醫(yī)療設(shè)備之一，在臨床疾病診療檢測(cè)中起到重要作用[1-3]。MRI設(shè)備在安裝和正常使用期間，液氦不斷損耗。為了維持液氦容器的液面穩(wěn)定、防止失超(低于滿液氦面的35%)和保持磁體正常運(yùn)行，必須定期灌注液氦[4-5]。液氦成本高昂，若發(fā)生泄漏，不僅延誤患者檢查，也將大幅度增加醫(yī)院使用成本[6]，高濃度的氦氣還會(huì)使人窒息至死亡。研究表明，氦氣泄露(占比23.3%)居中國(guó)30件MRI設(shè)備不良事件類型首位[7]，因此，MRI室氦氣泄露相關(guān)研究對(duì)企業(yè)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)和監(jiān)管部門控制MRI設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)、保障設(shè)備高效運(yùn)行具有重要意義。

吳偉等[8]通過研制一種用于800 M定量核磁共振儀的氦氣回收系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)使用氦氣(液)、節(jié)省成本約10萬元/年。祁云等[9]開發(fā)了MRI低溫超導(dǎo)磁體冷卻系統(tǒng)，達(dá)到減少約50%的液氦用量的目的。劉炯[10]認(rèn)為大型醫(yī)院可安裝統(tǒng)一的氦氣回收系統(tǒng)。現(xiàn)有文獻(xiàn)側(cè)重于MRI設(shè)備的氦氣回收，較少涉及MRI室氦氣泄露。

鑒于開展MRI室氦氣泄露的實(shí)驗(yàn)研究存在條件受限等問題，本文用Fluent模擬研究了泄漏口直徑、波導(dǎo)窗位置和個(gè)數(shù)等因素對(duì)醫(yī)院磁共振(MRI)室氦氣泄露擴(kuò)散的影響，以期為氦氣泄漏事故預(yù)防及處置、設(shè)備管理提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1 基本假設(shè)和控制方程

為了簡(jiǎn)化分析，假設(shè)MRI室氦氣泄露過程無熱量傳遞，不發(fā)生相態(tài)變化及化學(xué)反應(yīng)，泄漏速度不變。氦氣泄露擴(kuò)散遵循的基本方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程等，湍流模型用標(biāo)準(zhǔn)k-ε控制方程[11-14]。

1.2 初始條件

建立二維MRI室物理模型，如圖1(a)所見，6 000 mm × 3 900 mm[15]，距離MRI室底部1 000 mm，有直徑20 mm泄漏孔，泄漏孔對(duì)側(cè)有門，距MRI室地面2 200 mm，MRI運(yùn)行時(shí)，門關(guān)閉。距門1 000 mm處有寬300 mm波導(dǎo)窗，即距泄漏口所在邊4.7 m。下面研究波導(dǎo)窗位置對(duì)MRI室氦氣泄露擴(kuò)散的影響，圖1(b)為波導(dǎo)窗距離泄露口所在邊1 000 mm時(shí)的物理模型，圖1(c)為2個(gè)波導(dǎo)窗的物理模型。為了進(jìn)一步研究氦氣泄露擴(kuò)散對(duì)人的影響，在計(jì)算區(qū)域設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)所在高度1.5 m[16]，測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)為(1.0,1.5)、(3.0,1.5)和(5.0,1.5)。模型網(wǎng)格采用四邊形網(wǎng)格，泄漏孔附近網(wǎng)格最大尺寸1 mm，其余區(qū)域網(wǎng)格最大尺寸20 mm。計(jì)算時(shí)波導(dǎo)窗為壓力出口，泄漏孔為速度進(jìn)口，速度5 m/s，其余邊設(shè)定為墻壁。

(a)波導(dǎo)窗距離門1 000 mm

(b)波導(dǎo)窗距離泄露口1 000 mm

(c)2個(gè)波導(dǎo)窗

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 泄露口直徑的影響

圖2和圖3是泄露口直徑分別為20 mm和50 mm的醫(yī)院MRI室氦氣泄露不同時(shí)刻擴(kuò)散空間分布圖，圖4為不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)氦氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線。由圖2和圖3可知，泄露口直徑由20 mm增至50 mm時(shí)，在相同時(shí)間內(nèi)，氦氣釋放量增大，氦氣初始泄露射流距離增大，擴(kuò)散過程中形成氣云面積和擴(kuò)散范圍均增加，受空氣阻力和重力等影響形成渦旋現(xiàn)象愈加明顯，氣云擴(kuò)散至地面時(shí)間縮短。

根據(jù)氦氣安全技術(shù)說明書，高濃度(約6.7%)氦氣使空氣中氧氣濃度下降至19.5%時(shí)，人會(huì)頭暈、失去知覺甚至死亡。結(jié)合圖4可知，泄漏口直徑由20 mm增至50 mm時(shí)，氦氣至不同測(cè)點(diǎn)所需時(shí)間縮短。除了靠近泄露口處，距離泄露源越遠(yuǎn)，達(dá)到使人致命的氦氣濃度所需時(shí)間越短，危險(xiǎn)性越大。

(a)2 s

(b)30 s

(a)2 s

(b)30 s

(a)測(cè)點(diǎn)1

(b)測(cè)點(diǎn)2

(3)測(cè)點(diǎn)3

2.2 波導(dǎo)窗位置的影響

圖5為波導(dǎo)窗距泄露口1 m、泄漏口直徑20 mm的醫(yī)院MRI室氦氣泄露不同時(shí)刻擴(kuò)散空間分布圖，圖6為不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)氦氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線。由圖2和圖5可知，波導(dǎo)窗位置距泄露口的距離1 m時(shí)，氦氣泄露擴(kuò)散過程中向波導(dǎo)窗靠近趨勢(shì)顯著，氦氣云在水平方向傳播變緩，氦氣云向MRI室底部擴(kuò)散趨勢(shì)變?nèi)酰?jì)算時(shí)間范圍內(nèi)基本沒有接近地面，波導(dǎo)窗與泄露口附近區(qū)域氦氣濃度更高。分析圖6可知，隨著波導(dǎo)窗位置距泄露口的距離減小，除了靠近泄露口附近(測(cè)點(diǎn)3)氦氣濃度顯著增加之外，其余測(cè)點(diǎn)處相同時(shí)刻氦氣濃度均降低；距離泄露口越遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)，到達(dá)使人危險(xiǎn)的氦氣濃度所需時(shí)間越長(zhǎng)，安全性增加。

(a)2 s

(b)30 s

(a)測(cè)點(diǎn)1

(b)測(cè)點(diǎn)2

(3)測(cè)點(diǎn)3

2.3 波導(dǎo)窗個(gè)數(shù)的影響

圖7為2個(gè)波導(dǎo)窗時(shí)、泄漏口直徑20 mm的醫(yī)院MRI室氦氣泄露不同時(shí)刻擴(kuò)散空間分布圖，圖8為不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)氦氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線。由圖2、圖5和圖7可知，醫(yī)院MRI室有2個(gè)波導(dǎo)窗時(shí)，初始階段，氦氣泄露擴(kuò)散向泄露口附近上方擴(kuò)散趨勢(shì)顯著，在水平方向傳播變緩，隨著時(shí)間增加，氦氣云向醫(yī)院MRI室地面擴(kuò)散，擴(kuò)散過程形成的氣云面積較小。分析圖6和圖8可知，有2個(gè)波導(dǎo)窗時(shí)，距離泄露口近的位置(測(cè)點(diǎn)3)與2.2節(jié)情況類似，而距離泄露口較遠(yuǎn)的位置(測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2)，在計(jì)算時(shí)間范圍內(nèi)，氦氣濃度均低于危險(xiǎn)值，安全區(qū)域最大，

(a)2 s

(b)30 s

(a)測(cè)點(diǎn)1

(b)測(cè)點(diǎn)2

(3)測(cè)點(diǎn)3

3 結(jié)論

(1)泄漏口直徑增大，相同時(shí)間內(nèi)氦氣釋放量和初始泄露射流距離均增大，區(qū)域內(nèi)渦旋現(xiàn)象愈明顯，氣云擴(kuò)散至地面的時(shí)間縮短。除了靠近泄露口處，距離泄露源越遠(yuǎn)，達(dá)到使人致命的氦氣濃度所需時(shí)間越短，危險(xiǎn)性越大。

(2)波導(dǎo)窗位置靠近泄露口時(shí)，氦氣泄露在水平方向傳播變緩，氦氣云向MRI室底部擴(kuò)散趨勢(shì)變?nèi)?，距離泄露口越遠(yuǎn)，到達(dá)使人危險(xiǎn)的氦氣濃度所需時(shí)間越長(zhǎng)，安全性越高。

(3)醫(yī)院MRI室有2個(gè)波導(dǎo)窗時(shí)，擴(kuò)散過程形成的氣云面積較小。距離泄露口較遠(yuǎn)的位置，氦氣濃度均低于危險(xiǎn)值，安全區(qū)域最大。