Klik hier voor het complete artikel in PDF formaat - RCC Koude en ...

CRYOGENE TECHNIEK/SUPERGELEIDING
Koude & luchtbehandeling RCC
Door Prof. dr. Dirk van Delft
Directeur Museum Boerhaave en Hoogleraar Materieel erfgoed van
de Natuurwetenschappen aan de Universiteit van Leiden
Overweg: “De MRI-scanner
is nog lang niet af”
De enige grootschalige commerciële toepassing van supergeleiding is de MRI-scanner. Al ruim een kwart eeuw is
Philips Research actief op dit gebied. Onderzoeker Johan Overweg stond bij alle ontwikkelingen vooraan.
Philips experimentele 2 Tesla scanner
met een vrijwilliger (Philips Research)
“Pas op voor het strooiveld”, zegt
Johan Overweg, terwijl hij zijn
sleutelbos tevoorschijn haalt en voor
de MRI-scanner houdt. In de onderzoekskamer,
naast een werkruimte
die uitpuilt van de soldeerbouten,
printplaten met elektronica, losse
componenten, oscilloscopen en een
vracht laatjes en bakjes met onderdelen,
staat een kaal MRI-apparaat.
“Ik heb er diverse keren in gelegen’,
zegt Overweg. ‘Het is een 1,5 Tesla
machine uit 1994 maar de magneet
doet het nog prima en we houden
het apparaat up to date. Alleen is hij
niet netjes afgewerkt zoals de MRIscanner
in het ziekenhuis. We doen
er proeven mee, met in de opening
standaardobjecten, en een enkele
keer een proefpersoon.”
Overweg (sluik haar, beige trui,
sandalen) werkt sinds 1994 bij
Philips Research in Hamburg en
is er hoofd van het MR Front-End
Hardware cluster van de Tomographic
Imaging Group. Na zijn studie
Technische Natuurkunde aan de
Universiteit Twente heeft hij zich
voortdurend met het ontwikkelen
van supergeleidende magneten en
105e JAARGANG MAART 2012
69

CRYOGENE TECHNIEK/SUPERGELEIDING
RCC Koude & luchtbehandeling
Philips 7 Tesla scanner opgesteld in het Leids Universitair Medisch Centrum (foto LUMC )
andere grote componenten van een
MRI-scanner beziggehouden. In 1984
startte hij zijn loopbaan bij Philips
Medical Systems in Eindhoven, dat
kort daarvoor met MRI-scanners aan
de gang was gegaan.
In 1992, toen het slecht ging met
Philips als geheel en dit zich ook bij
Medical Systems deed gelden, zocht
Overweg zijn heil bij Siemens, waar
magneten voor de Superconducting
Super Collider (SCC) werden ontwikkeld.
Toen die Amerikaanse deeltjesversneller
anderhalf jaar later werd
wegbezuinigd, keerde hij terug naar
Philips. Om privéredenen werd het
Philips Research in Hamburg. Daar,
aan de Röntgenstrasse, is hij vooral in
de onderzoeksruimtes in zijn element:
“Met management heb ik niet
zoveel.”
Magnetic Resonance Imaging
MRI staat voor Magnetic Resonance
Imaging. Deze afbeeldingtechniek
maakt gebruik van het gegeven dat
het menselijk lichaam vooral uit water
bestaat. In een krachtig magneetveld,
opgewekt in een stroomspoel,
nemen de waterstofkernen bepaalde
energietoestanden aan die met een
hoogfrequent elektromagnetisch veld
(radiogolven) te manipuleren zijn.
Wordt het hoogfrequente veld uitgezet,
dan keren de gemanipuleerde
waterstofkernen terug naar hun normale
toestand onder uitzending van
dezelfe soort radiogolven als waarmee
ze werden aangeslagen. Een
gecompliceerde digitale bewerking
van dit radiosignaal levert vervolgens
beelden van de zachte delen van het
inwendige van de patiënt op, bijvoorbeeld
de hersenen of het hart. Het
grote voordeel van MRI boven röntgenstraling
(doorlichten) of CT-scans
is dat er geen ioniserende straling aan
te pas komt.
In de praktijk bestaat een MRI-scanner
uit een aantal spoelsystemen. De
buitenste spoel levert een krachtig
magneetveld. De patiënt ligt in de
cilindrische opening – voor te dikke
mensen en mensen met claustrofobie
zijn tegenwoordig ook open
MRI-systemen beschikbaar. De grote
magneet maakt gebruik van supergeleiding,
wat de noodzaak van een
cryogeen systeem met vloeibaar
helium met zich mee brengt. Het
meten zelf gebeurt met een RF-spoel,
met een frequentie in het radiogebied
(15 à 200 MHz). Binnen de supergeleidende
magneet zit de zogeheten gradiëntspoel,
waarmee de veldsterkte
in de patiënt lokaal wordt gevarieerd.
Hiermee wordt gedefinieerd waar het
signaal vandaan komt. De computer
zet de gedigitaliseerde signalen om in
plaatjes.
Eerste MRI-opname
De eerste MRI-opname van een mens
dateert van 1977. De muis beet drie
jaar eerder het spits af. Op dat moment
waren supergeleidende magneten
al voorhanden, dankzij de ontdekking
(begin jaren zestig) van een
legering van de metalen niobium en
titaan (NbTi) als geschikt draadmateriaal
om krachtige magneetvelden
te maken. Door de lage overgangstemperatuur
van NbTi (9,2 kelvin)
kan een supergeleidende spoel van
dat materiaal niet buiten koeling met
vloeibaar helium.
Inmiddels is MRI een wijdverbreid
toegepaste diagnosetechniek – en
de (tot nu toe) enige succesvolle
commerciële toepassing van supergeleiding.
Dankzij MRI maakte
supergeleiding de sprong van
wetenschappelijke curiositeit naar
een verschijnsel dat inwerkt op de
kwaliteit van ons leven. Dertig jaar
na introductie van de techniek zijn
wereldwijd een kleine 30.000 MRIscanners
geïnstalleerd (goed voor
bijna honderd miljoen onderzoekingen
per jaar) en de jaarproductie
bedraagt op dit moment al boven de
2500 stuks. In de Verenigde Staten
is per 30.000 inwoners een scanner
voorhanden. De helft van de MRIopnames
is voor onderzoek aan
hersenen en ruggenmerg.
Kortom, een interessante markt
waarop Philips succesvol opereert.
Wat Overweg in de MRI-wereld
aantrekt is de diversiteit aan technologieën
die er samenkomen. “Je
hebt te maken met magneettechniek,
hoge stroom elektrotechniek,
signaaltechniek, elektromagnetische
golven, verwerking van signalen
– en dat allemaal met grote precisie:
zo’n magneet is mechanisch
een zeer gecompliceerd ding. Een
typisch probleem is dat je de draad
niet kunt testen maar af moet gaan
op specificaties en strikte kwaliteits-
en procescontrole. Er zit vijftig
kilometer draad in zo’n magneet, in
stukken van tien kilometer aan elkaar
gelast. Het gaat eenvoudig niet
om uit te proberen of al die draad bij
bedrijfstemperatuur en bedrijfsveld
zijn stroom wel houdt. Pas als de
magneet helemaal af is, weet je of je
geen fouten hebt gemaakt.”
Grootste speler op dit gebied is
Siemens, terwijl ook General Electric
en Japanse bedrijven als Toshiba
en Hitachi op de MRI-markt actief
zijn. Overweg ontmoet de concurrentie
jaarlijks op de conferentie van
70 MAART 2012 105 e JAARGANG

CRYOGENE TECHNIEK/SUPERGELEIDING
Koude & luchtbehandeling RCC
de International Society of Magnetic
Resonance in Medicine. “Vooral
op het vlak van magneten wordt er
nauwelijks gepubliceerd. De reden
is dat je er niet in kunt kijken, en wat
je niet vertelt is in principe geheim.
Over de ontvangstspoelen die op de
patiënt liggen wordt juist heel veel
gepubliceerd. Overigens zijn de keukengeheimen
minder geheim dan
vroeger. Onderzoekers stappen over
van het ene bedrijf naar het andere.
Ik maak me geen illusies. Ik weet
bijna zeker dat ze bij General Electric,
en waarschijnlijk ook Siemens, vrij
precies weten hoe onze magneten
Een MRI-scanner bestaat uit een aantal spoelsystemen.
De buitenste spoel genereert een krachtig magnetisch
veld. De patiënt wordt geplaatst in de cilindrische
opening. De grote magneet is supergeleidend dankzij
vloeibaar helium dat door een cryogeen koelsysteem
wordt geproduceerd. De scan wordt gemaakt met inzet
van een hoogfrequente spoel (RF spoel) in het radiogebied
(Philips Research)
in elkaar steken.”
Het ontwerpen van een MRIscanner
is één groot optimaliseringprobleem.
Overweg: “Hoe sterk
moet het veld zijn? Hoe groot moet
het volume zijn waarin het veld de
kwaliteit heeft om plaatjes te maken?
Hoe groot moet de opening zijn?
Verreweg het duurste onderdeel is
de magneet, gevolgd door het systeem
van de spoel en de versterker
van de gradiëntvelden, die op het
statische veld worden gesuperponeerd.
Andere onderdelen, zoals de
RF-componenten en de digitale electronica,
zijn veel goedkoper.”
Historie
De eerste MRI-magneten waren opgeschaalde
varianten van laboratoriummagneten
die bij het onderzoek naar
kernspinresonantie werden gebruikt.
Overweg: “Maar dan met een groter gat
in het midden en horizontaal in plaats
van vertikaal. Om de tank met vloeibaar
helium zat toen nog een tank met
vloeibare stikstof.”
Een groot probleem bij de eerste generatie
MRI-magneten was het strooiveld,
de sterkte van het veld buiten de
opening. Overweg: ‘De internationale
afspraak is dat het strooiveld onder
de vijf gauss moet blijven, tien keer
zo sterk als het aardmagnetisme. Die
grens was ingegeven door pacemakers
die met magneten waren te programmeren
en die boven de vijf gauss in de
war konden raken. Dat ligt inmiddels
anders, en vreselijk zinvol is die grens
van vijf gauss niet meer. Maar hij staat
nog altijd en niemand die zich vreselijk
geroepen voelt eraan te sleutelen.
Om dat strooiveld het hoofd te bieden
werd in ziekenhuizen tien à twintig ton
ijzeren afscherming geïnstalleerd, een
lastige zaak.”
In 1986-87 groeide het besef dat hier te
optimaliseren viel. Dat leidde tot compactere
magneten. Was het gat in de
eerste generatie een meter in diameter
of meer, inmiddels is dat teruggebracht
tot ongeveer 90 centimeter. Ook
de componenten in het gat werden
compacter, om voor de patiënt zoveel
mogelijk ruimte over te houden.
Koeltechniek
Een belangrijke verbeterslag speelde
zich af op het gebied van de koeltechniek.
Overweg: “Bij een heliumtank
omgeven door een tank met vloeibare
stikstof lag het verlies aan vloeibaar
helium op ongeveer een halve liter per
uur. In die tijd deden compacte koelmachines
hun intrede, ontwikkeld voor
de vacuümpomptechniek maar geheel
compatibel met wat MRI aan koelvermogen
vergt. Het is een variant op de
Stirlingmachine, met een compressor
en een expansiemachine die direct op
de magneet zit en warmte onttrekt aan
de stralingsafscherming rondom de
magneet. Daarmee werd het verlies aan
heliumvloeistof gereduceerd tot 0,1 liter
per uur, en na nog wat ontwerpslagen
tot 0,05 liter per uur.”
De oplossing voor het strooiveldprobleem
heet actief afschermen. Overweg:
“Een actief afgeschermde magneet werkt
met twee concentrische spoelsystemen.
Samen leveren ze het vereiste veld
in het centrum, maar naar buiten toe
compenseren ze elkaar zodat er netto
geen veld over blijft. Het principe was
niet nieuw, wat de introductie ophield
was het feit dat de hoeveelheid supergeleidende
draad in het spoelsysteem
sterk toeneemt en in de pionierstijd
van MRI werd dat te riskant en te duur.
Naarmate de NbTi-draad meer stroom
aankon, kwam dat anders te liggen. Op
die ontwikkeling, het compact maken,
het inbouwen van een koelmachine
die de tank met stikstof vervangt en het
actief afschermen, heb ik mijn stempel
weten te drukken. Daar was ik trendsetter.
De afmetingen van de MRI-magneet
die Philips in 1988 op de markt bracht,
zijn sindsdien hooguit een paar centimeter
veranderd. Wel is het gelukt in die
omhulling steeds meer veld te proppen,
van 0,5 Tesla in 1988 via 1,5 Tesla in 1994
naar 3 Tesla sinds 2002. Deze toename
in veldsterkte werd vooral mogelijk
doordat we beter zicht kregen op de
krachten in zo’n spoel. Om een idee te
geven: bij een veld van 3 Tesla willen
de uiteinden van de magneet met een
kracht van 300 ton naar elkaar toe. En als
je niet oppast loopt de trekkracht in de
draad zo hoog op dat hij knapt.”
Experimentele gradiënt spoel waarmee het magnetisch veld in de
patiënt zeer plaatselijk kan worden gevarieerd (Philips Research)
105e JAARGANG MAART 2012
71

CRYOGENE TECHNIEK/SUPERGELEIDING
RCC Koude & luchtbehandeling
Experimentele gradiënt spoel ( Philips Research)
Helium
In een moderne MRI-magneet zit
maximaal 2000 liter helium en het
vulniveau ligt in bedrijfssituaties
tussen de 40 en 90 procent. “Dat
betekent dat je maar eens in de een
à twee jaar hoeft te vullen. Dan komt
Air Liquide of Air Products langs met
een paar containers van 250 of 500
liter, en hevels. De klant heeft daar
helemaal geen bemoeienis mee.
Maar het kan nog beter. Sinds een
jaar of tien zijn er koelmachines voor
MRI-magneten op de markt die alle
verdampte helium recondenseren.
Uit zo’n gesloten systeem, dat intussen
standaard is geworden, ontsnapt
helemaal geen helium, afgezien van
onderhoud.”
De groeiende heliumschaarste is een
wezenlijk probleem. Overweg: “Van
de tienduizenden MRI-scanners die
nu wereldwijd in bedrijf zijn, is een
groot gedeelte niet zero boil-off. Die
moet je bijvullen. En iedere nieuwe
magneet moet eerst vol. De MRImarkt
legt beslag op zo’n twintig
procent van de heliumvoorraad –
verreweg de grootste verbruiker van
helium is trouwens de lastechniek.
Nieuwe magneetontwerpen die
met veel minder helium toe kunnen
moeten hier een uitweg bieden. Nadeel
is wel dat je zonder een buffer
aan vloeibaar helium kwetsbaar raakt
voor storingen. Valt de koelmachine
uit, en heb je geen buffer, dan moet
je de magneet binnen een paar uur
uitschakelen, anders quencht hij.”
Een quench is het plotseling wegvallen
van de supergeleidende toestand.
In de NbTi-draad keert de normale
weerstand terug, en daarmee de
warmteontwikkeling die met de
stroom gepaard gaat. Binnen de
kortste keren is al het helium verdampt.
Overweg: “Het komt af en toe
voor, maar ik kan daar niet te veel
over vertellen. Voor de patiënt is er
trouwens geen enkel gevaar. Het is
vooral jammer van het helium, dat
door een pijp naar buiten verdwijnt.
Alsof er een stoomketel afblaast.”
Gedetailleerder beeld
Hoe sterker het magneetveld, hoe
gedetailleerder het beeld. Toch
is Overweg van het grootschalig
klinisch nut van 7 Tesla scanners
niet op voorhand overtuigd. “Tegenwoordig
is 1,5 Tesla de standaard.
Toen de 3 Tesla-systemen zich
aandienden rees de vraag: Moeten
wij als Philips daar instappen? Blijft
het een researchspeeltje of komen er
klinische toepassingen? Inmiddels
kunnen we zo’n 3 Tesla-magneet
tegen heel acceptabele kosten
bouwen en is er een markt voor. Bij
7 Tesla ligt dat moeilijker. Dan kom
je in de buurt van het veld waarbij
onze gewone supergeleiders het
minder goed doen. Om toch 7 Tesla
te maken zit je vast aan een inefficiënte
magneet, die onevenredig
veel duurder is dan een van 3 Tesla,
zeker als je deze actief zou willen
afschermen. Een passieve ijzerafscherming
vraagt honderden tonnen
ijzer, wat ook veel geld kost en dit
kun je niet overal installeren. Met 7
Tesla kun je briljante plaatjes van het
hoofd maken. Maar of het bij andere
lichaamsdelen ook zijn nut afwerpt
is nog niet zeker. Een probleem is
dat de RF-frequentie zo hoog komt
te liggen dat het signaal niet meer
goed in het lichaam doordringt.
Ook neemt de warmteontwikkeling
kwadratisch met de frequentie toe
en moet je oppassen dat je de patiënt
niet braadt. Maar voor research is 7
Tesla uitstekend.”
Radiotherapie
Een project waar Overweg nauw bij
betrokken is, is de integratie van een
MRI-scanner met radiotherapie: het
van buitenaf bestrijden van tumoren
met ioniserende straling (uit een versneller
of radioactieve bron). “Het idee is
van Jan Lagendijk, hoogleraar klinische
fysica in Utrecht. Ik ben van begin af
aan bij de realisatie betrokken geweest.
De ontwikkeling van die combinatie
was voor Philips alleen een te groot financieel
risico, en de eerste jaren is het
project gefinancierd door de Stichting
Technische Wetenschappen. Voor mij
is het ontzettend interessant. Het technisch
concept van wat nu in Utrecht is
opgebouwd, is mijn geesteskindje. Tijdens
een brainstorm bij Philips in 2002
ben ik met het idee gekomen de bundel
dwars door de magneet heen te sturen.
Het werkt. Sinds 2009 heeft Utrecht een
prototype staan. Op dit moment wordt
een machine ontworpen waarmee patiënten
daadwerkelijk bestraald kunnen
worden.”
Zit er voor een onderzoeker nog muziek
in MRI? Overweg: “Midden jaren negentig
bestond de vrees dat het allemaal wel
zo’n beetje af was, dat er weinig meer te
ontdekken viel. Dat is een grote vergissing
gebleken. Integratie van MRI met
therapie biedt tal van kansen. De MRIscanner
is nog lang niet af.”
MRI-scanner (Philips Research)
MRI staat voor Magnetic Resonance Imaging =
Magnetische Resonantie Beeldvorming
72 MAART 2012 105 e JAARGANG