0 引言

       自20世纪70年代问世以来，磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）作为一种无创性影像学技术，凭借其无电离辐射、卓越的软组织对比度、多参数多方位成像等独特优势，已在临床诊断与科学研究中发挥着不可替代的重要作用^[1]。中共中央、国务院印发的《“健康中国2030”规划纲要》（2016年）^[2]与工业和信息化部等十部门联合印发的《“十四五”医疗装备产业发展规划》（工信部联规〔2021〕208号，2021年）^[3]，均明确提出要加强高端医疗影像设备自主创新，推动核心装备实现自主可控，筑牢医疗装备产业链安全防线；2022年10月美国BIS的Export Administration Regulations（EAR）强化对俄制裁与技术管制，间接收紧了对氦气等战略物资的贸易限制^[4]。此举加剧了我国的外部氦气供应压力，使本就紧张的供需矛盾更为突出，直接卡住了国产超导MRI设备稳定运行的“资源脖子”，成为产业发展的关键掣肘。传统MRI系统广泛采用超导磁体技术，该技术依赖液氦浸泡式冷却体系以维持超导状态并产生稳定静磁场,常规的铌钛液氦浸泡式磁体在4.2 K下运行，通常需要约1500~2000 L液氦^[5]。然而，氦气作为不可再生的战略性稀缺资源，其全球分布不均且供应受国际局势影响显著，已成为制约MRI技术普及和产业发展的关键问题。为突破资源依赖桎梏，实现MRI技术的绿色可持续发展，无液氦超导MRI技术成为全球医学影像设备制造商竞相角逐的高地。无液氦超导MRI技术的成熟与推广，关键在于系统性地解决其在可靠性、全生命周期经济性及向高场强拓展中的工程挑战。本文从技术史、产业竞争、临床应用三个维度，系统评述无液氦MRI技术的发展脉络与未来趋势。旨在为我国突破高端医疗装备“卡脖子”困境、构建自主可控的医疗装备产业链提供战略参考，并为全球MRI技术的绿色可持续发展贡献中国视角与路径。

1 氦资源危机：无液氦MRI技术发展的核心驱动力

1.1 氦气的重要作用

       氦气作为自然界已知熔点和沸点最低的物质，具备不可燃、低密度、高导热率及强化学惰性等独特理化特性，被广泛应用于医疗、电子、航空航天、军事及通信等高科技领域，是支撑高端产业发展的不可或缺的战略性稀有气体资源，素有“黄金气体”之称^{[6, 7]}。液氦常作为关键的极低温冷却剂使用。其中，医用MRI设备是液氦的最大消耗领域，其用量约占全球氦气总消耗量的22%^[8]。

1.2 全球与我国氦资源分布和产量格局

       全球氦气资源呈现高度不均衡的分布特征，据统计，全球氦气总储量约为519亿L，其中美国（206亿L）、卡塔尔（101亿L）、阿尔及利亚（82亿L）、俄罗斯（68亿L）及加拿大（20亿L）为主要资源国，其合计储量占全球总储量的90%以上；我国氦资源严重匮乏，储量仅约11亿L，占全球总量的2.1%^[9]。受全球氦气资源分布格局的制约，氦气产量同样集中在美国、卡塔尔、阿尔及利亚和俄罗斯等国，其中美国和卡塔尔的产量合计占全球总量的75%以上^[9]。与之形成鲜明对比的是我国氦气消费的快速增长，过去10年间，我国氦气消费量年均增长率超10%，显著高于全球4%~6%的平均增速^[10]。数据显示，2021年我国氦气自产量仅143.5万L，消耗量已达2 242.2万L，对外依存度达93.63%；2024年产量超400万L，对外依存度首次降到85%以下^[11]。2026年1月，中国工业气体工业协会报告指出，2025年中国氦气表观消费量约3000万L，产量440万L，对外依存度仍高达85%。此外，这种“资源高度集中、消费快速增长、供应对外依赖”的格局，导致全球氦气供应链异常脆弱。主要生产国一旦出现地缘政治冲突、自然灾害或生产设施非计划停产等情况，极易引发国际氦气价格剧烈波动及供应中断，进而影响下游产业及相关应用领域的稳定。MRI设备作为医疗领域用氦的重要终端用户，其运行维护成本与持续服务能力很大程度受制于国际氦气市场波动，这就成为研发无液氦MRI技术的核心驱动力。

       近年来国内氦资源勘探持续突破，逐步夯实资源自主可控基础：鄂尔多斯盆地东胜、庆阳气田相继探明大规模富氦气藏，氦含量0.045%~0.487%，依托伴生天然气形成规模化提氦开发路径，成为国内氦资源核心产区；渭河盆地地热伴生气氦含量最高达9.226%，初步估算氦气资源量超33.82×10⁸ L，建立了新型水溶气富氦成藏模式，开辟了氦气勘探新方向^{[12, 13]}；塔里木、四川等盆地也发现多处富氦气藏，初步形成多区域、多类型的氦资源勘探格局^{[14, 15]}。

       尽管勘探取得阶段性进展，但我国氦资源整体丰度偏低，商业开发仍受成本与技术制约，难以完全匹配高端产业激增需求，加之全球氦气供应紧张、价格波动剧烈，因此坚持资源自主勘探与技术替代创新双线并行至关重要。一方面需持续推进重点盆地氦资源勘探，完善开发技术体系，提升自主供应能力^[15]；另一方面应加快无液氦制冷装备、高温超导MRI磁体等替代技术研发，推广氦气高效回收纯化技术，降低对外依存度^{[16, 17]}。唯有统筹资源勘探与技术替代，才能破解氦资源瓶颈，保障国家战略资源供应链安全。

2 技术演进：从“液氦浸泡”到“固态导冷”的转变

2.1 “有液氦”且“有液氦消耗”的传统时代

       液氦浸泡式超导MRI是超导MRI的经典模式。其核心制冷原理是将超导线圈（通常为铌钛合金）完全浸没在一个充满液氦的杜瓦容器中，利用液氦4.2 K的极低温特性，使超导材料进入零电阻超导状态，电流在超导材料中持续无阻地流动，从而产生稳定均匀的静磁场。为减少液氦挥发损耗，磁体通常设置双层真空绝热结构，并配套液氦补充通路接口，通过定期灌注维持液氦液位，因此运营维护成本高，且存在因失超导致液氦瞬间汽化、大量释放的安全风险；此外，该阶段设备体积庞大，对机房空间、楼板承重、运输条件及供电电源要求严苛。

       在长达数十年的传统MRI发展与应用时期，系统完全建立在“液氦浴”冷却模式之上，其特征是“高存量”与“高消耗”并存^{[18, 19]}。常规的铌钛液氦浸泡式磁体在4.2 K下运行，其超导磁体浸泡在一个巨大的杜瓦容器中，需要装载多达1500~2000 L的液氦。这些液氦作为冷源，通过持续的缓慢蒸发（沸腾）来带走热量，以维持磁线圈处于超导态所需的4.2 K低温。这种不可避免的蒸发过程就是“液氦消耗”（boil-off），其速率受设备绝缘性能和外界热侵入影响，通常导致每年需要补充数百升液氦。这一需求塑造了整个产业链：从氦气开采、纯化、液化，到专业的冷链运输与现场灌装服务。MRI部门必须规划专用的存储空间、排气管（用于在磁体失超时安全释放突然气化的大量氦气）以及应对氦气价格波动和供应中断的风险预案^[20]。此时代的MRI设备因此非常笨重（重达5~8吨），安装复杂，对建筑结构（如楼板承重）和基础设施要求苛刻，极大地限制了其在非地面层、小型诊所或偏远地区的部署。这一时期，MRI技术的卓越诊断能力与其高昂的购置和运营成本、复杂的场地要求紧密捆绑，其普及性深受氦气这一战略性、不可再生资源供应链的制约。

2.2 “少液氦”且“无液氦消耗”时代

       为解决液氦消耗难题，相关技术已从传统“消耗”模式逐步转变为“密封闭环维持”模式，其核心是在传统液氦杜瓦容器基础上，集成超低温制冷机（通常采用两级吉福德-麦克马洪循环冷头）、固态导冷、液氦密封舱及液氦导管系统。该系统中，第一级冷盘用于冷却磁体杜瓦的辐射屏，可显著降低辐射传热；第二级冷盘直接伸入液氦密封舱，将舱内蒸发的氦气重新冷凝为液态，使液氦在密封舱与导管中循环流动，实现接近“零蒸发”的运行状态。目前，西门子医疗、GE医疗、飞利浦医疗等主流厂商推出的密封式低液氦MRI设备，液氦用量已大幅降至1~7 L^{[5, 21]}。该技术体系下，磁体失超时液氦被完全密封于密封舱及导管内，无液氦排泄消耗，且设备全生命周期内无需补充液氦；同时，磁体重量可减轻2~3吨，突破了楼层楼板的承重限制，为MRI设备的临床广泛推广奠定了重要基础。

       在氦气回收领域，目前主流方案主要为气囊式系统与闭式循环设计^[22]，但两类方案均存在明显缺陷，难以同时满足低温振动敏感设备的单个实验室使用需求与经济条件。为提升氦气回收率，国内外相关机构开展了大量实践：中国科学院强磁场科学中心（CHMFL）通过管网将所有氦气实验装置及安全阀、真空泵排气口均接入回收系统，每年可回收氦气约30 000 L，总回收率提升至90%^[23]；佛罗里达州立大学国家强磁场实验室通过安装独立纯化器、回收流量计、污染监测仪及新建管路系统优化回收流程，使氦气采购量降低60%，而使用量增长约40%^[24]；YIN等^[22]设计的紧凑型、低振动氦气回收系统，可直接对仪器和存储杜瓦的氦气蒸发进行再液化，规避了传统气袋和油润滑压缩机带来的污染与振动问题，氦气回收率可达94%。值得注意的是，闭式循环设计^{[25, 26, 27]}虽为氦气回收、避免液氦补充提供了另一途径，但其制冷机通常需紧邻低温设备布置以保证制冷量，而制冷机运动部件^[28]易向仪器传递明显振动，难以适配低振动要求的应用场景。此外，即便“零蒸发”系统大幅降低了液氦补充频率，设备初始填充及长期低损耗维持仍需消耗氦气^[29]。

2.3 “无液氦”时代

       “全固态传导制冷无液氦超导磁体技术”是超导磁体技术的终极发展方向，其核心是采用直接固态导冷技术，将超导线圈通过高导热性的特种金属导流件与制冷机的二级冷头实现固态直连，制冷机产生的冷量通过固体传导的方式直接、高效地传递给超导线圈，使其温度稳定在维持超导体状态的临界温度以下。该技术在设备全生命周期内彻底摆脱了液氦，即磁体内“无液氦”，更无液氦消耗。需要指出的是，无液氦磁体仍需依赖制冷系统，这也带来了一定技术限制，其中制冷机功耗较高尤为突出；目前，大多数无液氦超导磁体多用于小孔径扫描仪，受能耗约束，难以应用于大孔径系统。目前，该技术已由包括中国万东医疗、鑫高益医疗、朗润医疗等在内的多家国内企业攻克并实现产品化与临床应用。

       “全固态传导制冷无液氦超导磁体技术”也是MRI技术发展的前沿方向与终极目标—彻底摆脱对液氦的依赖，迈入真正的“无液氦”时代。该目标的实现，主要依赖于两大核心技术路线的突破^{[5, 30, 31]}：一是新型高温超导材料的研发与应用，二是高效传导冷却系统的创新发展。与传统铌钛合金相比，高温超导材料（如REBCO、BSCCO）及具有较高临界温度的MgB2具有更高的超导临界温度，可使磁体在液氦温度以上（10~40 K及更高区间）稳定运行。结合多级脉冲管制冷机等先进低温制冷技术，可直接将磁体冷却至目标工作温度，无需液氦作为中间冷却介质，实现了磁体系统“无液氦消耗”乃至“零液氦存在”的革命性突破。

       这一技术突破具有深远的临床与产业意义：无液氦磁体可设计得更轻量化、紧凑化，为超紧凑型、可移动式乃至便携式MRI扫描仪的研发奠定了核心基础。本专题的研究证实，1.5 T无液氦MRI的颅脑图像质量与传统1.5 T液氦MRI相当，可满足临床诊断的实际需求；能耗方面，1.5 T无液氦超导型MRI的总耗能与传统1.5 T液氦超导型MRI相比无明显增加，而相较于3.0 T液氦超导型MRI，其总能耗则呈现显著降低的特点，具备良好的临床应用可行性与经济性。

       在临床检查成像功能实现上，无液氦MRI支持多体位成像，突破传统仰卧位扫描的限制，能够在脊柱侧弯、盆底功能障碍等疾病的诊断过程中，提供更符合真实生理状态的影像信息^{[32, 33]}。移动式MRI已在临床 中实现多场景应用。在神经外科，0.23 T移动头颈MRI成功用于ICU床旁检查，兼容呼吸机等设备，为脑肿瘤、卒中及术后危重患者（如气管插管者）提供安全、便捷的影像评估，其图像质量满足基本诊断需求且噪声更低^[34]。全球首款0.064 T移动MRI（Swoop系统）则专为急诊室与ICU设计，用于快速评估脑损伤与卒中^{[35, 36]}。此外，移动MRI的应用正拓展至心血管、骨科、运动医学现场，以及通过“车载+5G远程”模式服务基层与宠物医疗的探索中，展现出其在突破空间限制、提升医疗可及性方面的实际价值^{[37, 38, 39, 40]}。值得关注的是，无液氦MRI技术进一步降低了设备运维复杂度与成本，展现出重要的临床推广潜力。

3 无液氦MRI技术的重要意义

       无液氦MRI技术的成熟与推广，将对医疗健康领域产生革命性的多重影响。在提升医疗可及性与临床实践方面，其最直接的意义是打破了传统MRI的场地枷锁。更轻，更小，无需复杂基础设施的设备，使得MRI能够下沉到社区医院、急诊部、甚至直接推入ICU病房。研究已证实^[34]，超低场便携式MRI可安全用于连接着复杂生命支持设备[如体外膜肺氧合（extracorporeal membrane oxygenation, ECMO）]的危重患者，实现床旁快速脑部扫描，及时发现卒中或出血，从而指导精准治疗，改善预后。这为缓解危重患者转运困难提供了潜在解决方案。在经济与运营层面，无液氦MRI技术彻底消除了医疗机构对全球氦气供应链的脆弱依赖。氦气价格波动、地缘政治因素导致的供应中断将不再威胁MRI服务的连续性，运营成本变得更加可控和可预测^[41]。对于资源可持续性，减少对不可再生氦资源的消耗具有重要的战略和环保价值。在推动科技创新与产业升级上，无液氦MRI技术倒逼了超导材料科学、低温工程、紧凑型磁体设计、低场强图像重建算法（如人工智能增强）等一系列前沿技术的融合与发展，催生了全新的设备形态和市场细分。最终，无液氦MRI技术有望像个人电脑颠覆大型主机一样，使高性能医学影像从集中式的影像科走向分布式的临床一线，实现更早诊断、更快速干预和更普惠的医疗服务，是迈向未来智慧、灵活、韧性医疗体系的关键一步^[34]。

4 无液氦技术的关键挑战

       无液氦超导MRI技术虽在摆脱液氦依赖、降低安装运维门槛方面优势明显，但其进一步推广应用仍面临系统性挑战。首先，其长期稳定运行高度依赖制冷机，而制冷机的可靠性、维护周期、振动控制及故障停机风险是核心约束因素，现有针对无液氦MRI系统的公开可靠性数据仍较薄弱，尤其是制冷机平均无故障时间、整机失超概率等关键指标的长期临床验证数据依然缺乏^[22]。其次，其经济性需从全生命周期成本（total cost of ownership, TCO）综合评估，虽避免了液氦相关成本，但高性能制冷系统、额外能耗与维护可能抵消部分优势^[21]。第三，技术向3.0 T及以上高场强拓展时，工程难度显著增加，涉及更复杂的热管理、机械应力控制、振动隔离与多物理场耦合优化，并非简单的参数放大^[42]。最后，高温超导（high-temperature superconductivity, HTS）路线虽为降低制冷负担提供了新可能，但目前仍受限于材料成本、制造工艺及工程化难题，短期内尚难成为主流^[31]。因此，无液氦技术的成熟不仅在于“去液氦”，更取决于能否在可靠性、经济性与高性能之间实现系统性平衡。

5 小结与展望

       从“少液氦”到“无液氦”的MRI技术迭代，是破解全球氦资源短缺、推动医学影像技术可持续发展的关键路径，也是超导磁体技术的未来主流方向。当前，该技术虽在制冷系统可靠性、设备成本及临床认知度等方面仍存挑战，但在政策驱动、国产技术突破、产业链协同及基层医疗需求的推动下，其技术成熟度与市场渗透率将快速提升。

       未来，无液氦MRI将向三大方向发展：一是融合高温超导材料与全固态导冷技术，推进高场强系统工程化落地；二是拓展床旁、车载、基层等分布式临床场景，助力医疗资源均质化；三是构建自主可控产业链，参与全球高端影像市场竞争，实现技术从跟跑到并跑、领跑的跨越。

       综上，无液氦MRI不仅是解决氦资源瓶颈的技术方案，更是筑牢医疗装备产业安全、完善高质量医学影像体系的战略支点，未来将为医疗普惠与装备可持续发展提供重要支撑。