0 引言

       2022年无液氦超导磁共振技术实现商业化应用后，其在临床复杂场景下的实际能效表现尚未得到系统验证，设备研发出厂前，能耗相关的测算数据多依赖实验室数据，缺乏在临床环境下扫描流程中的能耗对比分析。此外，在医疗行业中，CT和MRI设备已被证实是医疗行业温室气体排放的重要来源^{[1, 2]}，其中磁共振成像作为典型的高耗能医疗设备，其动态能耗特征与环境成本的相关性日益受到学界关注^{[3, 4, 5]}。该技术不仅存在显著的能源消耗与医疗废物生成问题^[6]，其核心部件超导磁体所依赖的液氦冷却系统更面临全球氦气资源短缺的严峻挑战^[7]。

       目前，未见研究对1.5 T无液氦超导型磁共振成像系统能耗进行分析。相较于以往在实验室环境下开展的无液氦超导磁共振成像研究，本研究以临床常见的膝关节扫描为研究场景，通过水模模拟真实患者的膝关节扫描流程，对比分析无液氦MRI与传统有液氦MRI在临床实际操作中的能耗差异，不仅可填补“临床动态场景与实验室静态环境下能耗数据脱节”的研究空白，更能为医疗机构采购决策、设备能效优化及医疗系统碳减排路径规划提供直接的临床相关数据支持，同时也为后续开展该技术的大规模多中心临床能效研究提供可借鉴的方法范式。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究将三类MRI设备纳入对比分析，为规避广告宣传倾向，相关设备厂商信息已作隐去处理，具体分组命名如下：MR1组（无液氦组）：一台1.5 T无液氦超导型MRI扫描仪，采用传导冷却技术，通过密闭式氦循环系统与高效热交换器维持磁体超导状态，无液氦储存与补充需求；MR2组（液氦组）：一台1.5 T液氦冷却超导MRI系统，依赖液氦浸泡式冷却，磁体置于真空杜瓦容器中，需定期补充挥发的液氦以维持超导环境；MR3组（液氦组）：一台3.0 T液氦冷却超导MRI系统，采用高场强超导磁体设计，液氦储存量与挥发速率高于1.5 T液氦型设备。

       受研究初期设备可及性与临床使用限制（无液氦MRI商业化应用时间较短，同期可纳入研究的临床在用设备数量有限），本研究每组暂纳入1台设备。本研究通过延长监测周期（2024年12月至2025年1月，覆盖冬季用电高峰与临床常规扫描旺季）、细化能耗监测维度，尽可能降低单设备样本对结果的影响。分别记录2024年12月至2025年1月间，三组设备的主机、制冷设备及总耗电量在同一时间段不同状态的耗电量。

1.2 状态定义

       静息状态：设备待机，不执行任何扫描序列，仅维持基础运行（磁场稳定、系统自检）；水模参数变量状态：使用标准水模（直径30 cm球形模体），执行动态参数扫描协议，模拟临床高负载场景，采用ISMRM标准膝关节成像协议（包含T1WI/T2WI/PD序列），连续扫描，扫描序列的具体参数见表1；水模参数常量状态：使用同一水模，执行固定参数扫描协议，模拟标准化负载，连续扫描，扫描序列的具体参数见表1。

点击查看表格

表1  水模参数变量状态下不同机器型号扫描参数和水模参数常量状态扫描参数
Tab. 1  Scanning parameters of different MRI scanner models under variable and constant water phantom parameter states

1.3 能耗记录步骤

1.3.1 测量仪器与校准信息

       主机耗电量记录采用高精度功率计（Yokogawa WT5000）直接接入MRI主机供电电路，记录实时功率（kW）和累积电量（kW·h）。制冷设备耗电量记录采用独立电表（HIOKI PW3390）连接制冷系统专用供电线路（含压缩机、冷头、水泵），记录累积电量（kW·h）。两类仪器均已通过国家计量认证的第三方检测机构校准，确保测量数据的准确性与合法性。

1.3.2 环境因素控制方法​

       设备能耗与环境温度、散热条件密切相关，本研究通过以下措施控制环境变量：温度控制：三组设备均置于符合MRI设备运行标准的屏蔽机房内，机房配备恒温空调系统，设定温度（22±2）℃，通过温度传感器（精度±0.5 ℃）实时监测机房温度，每小时记录1次，确保监测周期内机房温度波动范围≤2 ℃；​散热条件控制：MR1组无液氦设备的热交换器散热风口、MR2/MR3组液氦设备的杜瓦容器散热通道均保持无遮挡状态，散热空间距离障碍物≥1.5 m，且三组设备机房的通风量统一设定为15次/h（通过通风系统风速计监测），避免因散热不畅导致设备能耗异常升高；电网电压稳定控制：为排除电网电压波动对能耗测量的干扰，三组设备均接入稳压电源，通过功率计实时监测输入电压，当电压波动超过±5 V时，自动触发稳压调节，确保供电电压稳定。

1.3.3 数据处理

       为确保同步触发，使用NTP服务器校准所有设备时钟，误差<1 ms。采用3σ准则筛选异常数据（如因瞬时电网波动导致的功率骤升/骤降数据），对超出“均值±3倍标准差”范围的数据进行标记，结合同期环境电压记录，确认非设备本身能耗异常后予以剔除。所有数据均由机器自动记录，每日由一名具有11年工作经验的中级技师采用交叉验证10%的原始数据（随机抽查）进行人工复核。实时功率计算公式为见式（1）：

       其中，P(t)为实时有功功率（kW）；V(t)为电压有效值（V）；I(t)为电流有效值（A）；cosϕ为功率因数（由电表直接测量）。

1.4 设备测试环境​

       为保障研究数据准确可靠，本研究对测试设备及环境设定如下要求：无液氦组设备的磁体冷却系统需通过厂家年度QA检测以确保冷却系统正常稳定，液氦组设备的液氦填充量需≥额定容量95%以保障冷却支持充足；机房室温控制在（22±2）℃、相对湿度40%~60%，供电电压稳定在380 V±5%，减少温湿度与供电波动对设备及数据的干扰；连续监测需完整覆盖预设时长（0.5 h、1 h），且所有设备置于同一楼层并由同一中央空调调控，机房外同期温度差≤1 ℃以降低外部环境干扰；同时，测试前3个月内设备无硬件升级或重大维修、液氦系统无补液记录及压力异常报警、梯度冷却系统工作温度在厂商设定阈值内、监测期间无突发性供电波动（电压偏移>10%）及实验计划外电磁干扰源激活，避免异常因素影响测试结果。

1.5 统计学分析

       运用R语言（版本4.4.2，https://www.r-project.org/）开展数据分析工作。采用Shapiro-Wilk对所有指标实施正态分布检验，对于服从正态分布的计量资料，以均值±标准差形式予以呈现，对于不服从正态分布的计量资料，采用中位数（上下四分位数）形式呈现。在比较不同状态下不同机器型号的不同设备的耗电量、不同机器型号在不同状态下的不同设备的耗电量时，如果数据符合正态分布和方差齐性，运用ANOVA 单因素方差分析方法，事后分析则采用Bonferroni校正法；如果不符合正态分布，则采用Kruskal-Wallis检验，其中P<0.05表明差异具有统计学意义。

2 结果

2.1 不同状态下不同机器型号的不同设备的耗电量

       在静息状态、水模参数变量状态、水模参数常量状态下，MR1的主机耗电量均低于MR2和MR3，差异具有统计学意义（P<0.05），而MR2与MR3之间的主机耗电量差异无统计学意义。同时，MR1的制冷设备耗电量在所有状态下均高于MR2（P<0.05），但在静息状态下，MR1制冷设备耗电量与MR3差异无统计学意义，且三台设备的总耗电量在静息状态下差异无统计学意义。在两种水模状态下，MR3的制冷耗电量高于MR2（P<0.01），而MR1与MR2的制冷耗电量差异无统计学意义；此外，水模参数常量状态下，MR1、MR2的总耗电量低于MR3（P<0.05）（图1、图2）。不同状态下耗电量具体数值见表2。

点击查看大图

图1  不同状态下不同机器型号的不同设备的耗电量箱线图。1A：静息状态；1B：水模参数变量状态；1C：水模参数常量状态。
Fig. 1  Box plot of power consumption for different devices with various machine models under different conditions. 1A: Resting state; 1B: Water model parameter variable state; 1C: Water model parameter constant state.

点击查看大图

图2  不同状态下不同机器型号的不同设备的耗电量箱线图和小提琴图融合图。2A：静息状态；2B：水模参数变量状态；2C：水模参数常量状态。
Fig. 2  Combined box and violin plots of energy consumption for different devices across machine models under various operating states. 2A: Resting state; 2B: Water model parameter variable state; 2C: Water model parameter constant state.

点击查看表格

表2  不同状态下不同机器型号的不同设备的耗电量
Tab. 2  Power consumption of different devices of different machine models under different states

2.2 不同机器型号在不同状态下的不同设备耗电量

       三种磁共振成像系统（MR1、MR2、MR3）在静息状态下，主机耗电量与总耗电量均低于水模参数变量状态和常量状态（P<0.05），水模参数变量状态与常量状态之间的主机及总耗电量差异无统计学意义（P>0.05）。MR1和MR2的制冷设备耗电量在不同状态下差异无统计学意义（P>0.05），MR3在水模参数变量状态下的制冷耗电量高于常量状态（P<0.05）（图1、图2）。不同机器型号耗电量具体数值见表3。

点击查看表格

表3  不同机器型号在不同状态下的不同设备的耗电量
Tab. 3  Power consumption of different devices of different machine models in different states

3 讨论

       本文为前瞻性研究，通过与传统液氦超导磁共振的对比，分析世界首台无液氦超导型磁共振在临床工作中的能耗情况。本研究发现，在静息状态下，无液氦1.5 T MRI、液氦1.5 T MRI、液氦3.0 T MRI三台设备的耗电总量无差别，这一发现打破了“无液氦技术需以高能耗为代价”的固有认知。在非静息状态下（水模参数变量状态和水模参数常量状态），液氦3.0 T MRI耗电总量明显高于1.5 T MRI，且无液氦1.5 T MRI与液氦1.5 T MRI耗电总量相当。研究结果表明相比传统液氦MRI，1.5 T无液氦MRI不会增加额外耗电量。

3.1 无液氦超导型磁共振的能效优势与制冷系统瓶颈

       在10年前，有学者^[8]从国内超导MRI使用现状出发，在液氦市场的供求危机中，申述了超导MRI磁体无液氦改造的重要意义，并根据企业的制作流程，提出了无液氦改造操作的若干实践与设想，为国内超导MRI制造与使用提供了重要的价值取向。无液氦超导型磁共振采用了新型的超导材料及制冷技术^[9]。其通过特定的高温超导材料，在相对较高的临界温度下实现超导态，无须依赖液氦提供的低温环境^[10]。利用如制冷机等设备来维持所需的低温条件，保证超导线圈能够正常工作，从而产生稳定的磁场用于成像^{[11, 12, 13]}。与传统液氦超导型磁共振相比，无液氦超导型磁共振具有诸多优势^[14]。一方面，它摆脱了对液氦的依赖，解决了液氦供应及成本高昂的问题；另一方面，其制冷系统相对更加紧凑，在设备安装和维护方面具有一定便利性。新型制冷机虽然持续运行提供低温，但由于其制冷原理及功率特性与传统维持液氦低温的设备有所不同，故本研究对制冷设备和主机的耗电量分别进行数据分析。

       本研究结果表明，MR1的主机耗电量在静息及水模状态下均低于MR2和MR3，这一发现与无液氦技术通过消除液氦依赖、优化梯度线圈设计的理论预期一致^{[11, 12]}。超导磁体无需液氦维持低温的特性，避免了液氦蒸发损耗及周期性补液的运维成本，使其在主机能效方面表现突出。然而，MR1的制冷设备耗电量在所有状态下均高于MR2，主要归因于其主动制冷系统需持续运行以抵消环境热渗入^{[12, 14]}。这一现象提示，尽管无液氦技术降低了液氦依赖，但其制冷系统的持续能耗可能部分抵消主机能效优势，未来需通过磁制冷或混合冷却技术进一步优化。静息状态下三台设备总能耗无差异，是技术路线互补性的直接体现：MR1以“主机低耗”弥补“制冷高耗”，MR2与MR3以“制冷相对低耗”（或漏热控制）对冲“主机高耗”，形成能耗此消彼长的平衡态。值得注意的是，MR1系统采用全传导式固态制冷技术，通过自主研发的高效GM制冷机与 Magic Bridge 固冷冷桥结构，直接将超导线圈冷却至4.2 K超导态，无需液氦浸泡辅助。

3.2 无液氦核磁初步能耗情况

       放射学和放射治疗活动对环境的影响越来越受到各位学者的重视^{[15, 16, 17]}。据估计，医疗保健目前占全球碳排放量的4.4%^{[18, 19]}。最近的出版物呼吁采取紧急行动减少医疗保健对环境的影响^{[20, 21]}。从这个角度来看：若将全球医疗保健体系视作一个独立的排放主体，其温室气体排放量可跻身全球第五大排放经济体，且二氧化碳排放总量超过德国、法国与英国三国排放量之和^[22]。2020年，Radiology上发表了第一份关于放射学能源消耗的综合调查报告^[23]，该研究得出结论，对于MRI设备而言，其能源消耗中约有三分之一用于持续的氦气冷却及冷却头的运行操作上。本研究结果显示，在三种运行状态下（静息状态、水模参数变量状态、水模参数常量状态），MR1的主机耗电量均低于MR2和MR3，这说明液氦MRI在扫描过程中，为冷却超导磁体和防止液氦挥发，制冷系统需持续大功率运行，消耗大量电能。另外，在两种水模状态下，无液氦1.5 T MRI和液氦1.5 T MRI的制冷设备以及主机与制冷设备的耗电总量无明显差别，这说明国产1.5 T无液氦和液氦MRI能耗相当。

       本研究发现，静息状态能耗低于水模参数状态，印证负载增加对MRI能效的影响，而水模参数状态因模拟临床负载致主机能耗激增^[24]，同时水模参数变量与常量状态能耗差异无统计学意义，提示需探索参数动态调整的能耗影响机制；结论显示，3.0 T MRI因电流及梯度系统要求更高而能耗更高，相同参数下液氦3.0 T总耗电量高于1.5 T机型^{[13, 25, 26]}，且无液氦1.5 T制冷设备耗电高于液氦1.5 T，但主机耗电相反，这与无液氦核磁的制冷需求相关。

       MRI扫描仪未使用时会消耗大量非生产性能量，设备闲置不关机将大幅增加耗电量、成本及碳足迹^{[27, 28, 29]}，而关闭未使用的工作站可减排且不影响工作^[30]。研究显示，CT和MRI闲置与关机状态下有可观节能及成本节约潜力^[23]，MRI夜间闲置时关机12 h，耗电量可降25%~33%，减少8.7~14.9公吨CO2排放^[31]。与传统MRI相比，无液氦1.5 T MRI非工作状态不额外增加耗电量，本研究中三种MRI静息状态总耗电量相当；且无液氦1.5 T MRI的制冷设备在静息与两种水模状态下耗电量相当，进一步表明设备闲置有较大能源和成本节约潜力。此外，无液氦超导型磁共振制冷系统启动阶段需较大能量输入^{[32, 33]}，扫描中改变磁场强度或模式可能引发磁体温度变化，制冷系统调节制冷功率会产生额外能耗。目前，无液氦超导型磁共振开机与闲置状态的耗电量关系、不同扫描部位切换及部位间耗电量的相关性，仍有待进一步数据分析。

3.3 本研究的局限性

       首先，本研究纳入液氦MRI型号偏少，且为单中心样本，可能造成结果偏倚，后续将通过多中心合作进一步扩大样本量；其次，由于本研究样本量较小，时间跨度相对较短，部分结果可能引入潜在偏差，为了得到更为可靠的统计结果，有待后续增加时间跨度、扩大样本量继续研究；再者，水模参数状态虽模拟临床协议，但与真实患者扫描的异质性（如运动伪影、脂肪抑制需求）存在差异，且后续有待对不同检查部位进行横向耗能分析；最后，本研究未对碳排放进行研究，在接下来的研究中，应收集多中心不同厂商和型号的MRI，多时间段的耗电量和碳排放量数据，并结合真实患者数据，从而更加精准地对无液氦超导型MRI在临床工作中的能耗进行分析。

4 结论

       综上所述，无液氦超导型MRI可以避免液氦资源短缺或断供情况，虽然制冷设备为维持所需的低温条件会增加能耗，相对于1.5 T液氦超导型MRI，总耗能并无增加，相反，与3.0 T液氦超导型MRI相比，1.5 T无液氦超导型MRI总能耗明显减少。