MRT kühlen: Kältemaschine und Helium

Magnetresonanztomographen geben einen tiefen Einblick in den menschlichen oder tierischen Körper. Denn Sie nutzen ein starkes Magnetfeld, um Schnittbilder aufzunehmen. Diese zeigen Gewebe, Knochenstrukturen oder Organe und sind damit besonders wichtig, wenn es um die medizinische Diagnostik geht. Der Betrieb eines solchen Kernspintomographen, wie sich das MRT auch bezeichnen lässt, ist allerdings besonders aufwendig. Zum einen benötigen die tonnenschweren Geräte viel Strom, zum anderen müssen Kältemaschinen und Helium das MRT kühlen, um das Magnetfeld aufrechterhalten zu können. Deutsche-Thermo erklärt, wie das funktioniert und warum schnelles Handeln gefragt ist, wenn die MRT-Kühlung ausgefallen ist.

MRT Kühlung

Die Themen im Überblick

Wie funktionieren Magnetresonanztomographen?

Bei einer Magnetresonanztomographie (auch Kernspintomographie) schieben Ärzte ihre Patienten in eine große Röhre. Elektrische Spulen, welche in den Wandungen dieser Röhre versteckt sind, erzeugen dabei ein pulsierendes Magnetfeld, das etwa 10.000 bis 50.000-mal stärker ist als das Magnetfeld der Erde. Das elektrische Feld bewirkt eine Reaktion der Atome im Körper, die Experten als Resonanz bezeichnen. Wie stark diese Resonanz ausfällt, hängt dabei vom Gewebe und dessen Zusammensetzung ab. Spezielle Messgeräte erfassen die Reaktion und rechnen diese in Bilder um.

Schnittbilder, Längsschnitte und 3D-Darstellungen sind möglich

Setzen Computer die einzelnen Bildscheiben zusammen, können sie sogar Längsschnitte oder 3D-Bilder darstellen. Voraussetzung ist, dass die zu untersuchenden Gewebe möglichst viel Wasser oder Wasserstoff enthalten. Ein Grund, aus dem die Magnetresonanztomographie bei Knochenbrüchen nicht zum Einsatz kommt.

Kernspintomographen ermöglichen die schadensfreie Diagnostik

Für Mediziner sind Magnet- oder Kernspintomographen besonders wichtig. Denn Sie ermöglichen es, ohne Operation in den Körper hineinzuschauen. Die Magnetwellen sind anders als Röntgenstrahlen nicht schädlich und in den meisten Fällen problemlos einsetzbar. Beides sind Gründe, aus denen MRTs meist gut ausgelastet und Termine nur schwer zu bekommen sind. Eine Störung durch den Ausfall der MRT-Kühlung hätte dadurch schwerwiegende Folgen – ganz gleich, ob sie wenige Tage oder sogar mehrere Wochen für den Ausfall der Technik sorgt.

MRT-Kühlung: Aus diesen Gründen ist sie erforderlich

Damit die Spulen im Magnetresonanztomographen entsprechend starke Magnetfelder erzeugen können, muss besonders viel Strom fließen. Das funktioniert jedoch nur, wenn sie zum Supraleiter werden, da der elektrische Widerstand dabei fast komplett verschwindet. Herstellen lässt sich solch ein Supraleiter mit besonders niedrigen Temperaturen, die beispielsweise die MRT-Kühlung mit Helium ermöglicht. Tiefkalt verflüssigt erreicht das Medium eine Temperatur von unter minus 268 Grad Celsius (4,2 Kelvin), wobei es als einziges Element der Erde nicht in den festen Aggregatzustand übergeht.

Ist die MRT-Kühlung ausgefallen, droht ein gefährlicher Quench

Ohne das MRT zu kühlen steigt die Temperatur des Heliums stark an. Der Supraleiter überschreitet die sogenannte Sprungtemperatur, über der es sich um einen konventionellen elektrischen Leiter handelt. Bei den hohen Stromstärken führt das allerdings zu einer starken Wärmebelastung, die das gesamte Gerät zerstören kann. Außerdem dehnt sich das Helium durch die Erwärmung so stark aus, dass es Anlagenteile und Kryobehälter zum Bersten bringt.

Notabschaltung und Ablassen des Heliums infolge der Störung

Um die Folgen des sogenannten Quenchen des Supraleiters zu verhindern, folgt auf den Ausfall der MRT-Kühlung in aller Regel eine Notabschaltung. Magnetresonanztomographen gehen zunächst in den Stand-by-Betrieb und müssen bei anhaltenden Problemen komplett abgeschaltet werden. Steigen die Temperaturen so stark an, dass auch das flüssige Helium siedet (in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht), lässt sich die Anlage ohne das Ablassen des Mediums oft nicht retten.

Erneute Befüllung und Inbetriebnahme ist besonders aufwendig

Mit einer Notabschaltung infolge des MRT-Ausfalls lassen sich die Geräte zwar retten. Schäden entstehen dennoch oft in beachtlicher Höhe. Denn im Gegensatz zum Herunterfahren, das in wenigen Stunden erledigt ist, benötigt das Hochfahren der Magnetresonanztomographen mehrere Tage. Diese Zeit ist nötig, um das starke Magnetfeld, welches für den Betrieb des MRTs erforderlich ist, wieder aufzubauen. Hinzu kommen Kosten für das tiefkalt verflüssigte Helium, das nach dem Ablassen neu einzufüllen ist.

Mit Kaltwassersatz und Helium das MRT kühlen: So funktioniert es

Wie im vorangegangenen Abschnitt erklärt, ist die MRT-Kühlung besonders wichtig, um den Betrieb der Kernspintomographen am Laufen zu halten. Unterscheiden lassen sich dabei zwei Bereiche:

  1. mit flüssigem Helium den Supraleiter im MRT kühlen
  2. Kühlung von Helium und Spulen über Kaltwassersatz
Kaltwassersatz mieten Grafik mit weißem Kaltwassersatz

MRT-Kühlung mit Helium für den Betrieb der Supraleiter

Fließt viel Strom durch eine Leitung, führt das unweigerlich zu einer hohen Wärmeentwicklung. Grund dafür ist der elektrische Widerstand, dessen Höhe vom Material abhängt. Kühlen technische Anlagen die Leiter unter eine sogenannte Sprungtemperatur, verschwindet der Widerstand fast vollständig und besonders viel Strom lässt sich hindurchleiten. Da die Sprungtemperatur nah am absoluten Nullpunkt von minus 273 Grad Celsius oder 0 Kelvin liegt, kommt nur Helium infrage, wenn Betreiber ein MRT kühlen.

Verflüssigtes Helium zirkuliert im Kernspintomographen

Helium ist das einzige Element der Erde, das am absoluten Nullpunkt noch in flüssiger Form vorliegt. Es siedet bei minus 268,9 Grad Celsius beziehungsweise 4,25 Kelvin und zirkuliert fortwährend um die Magnetspulen im Magnetresonanztomographen. Weitere Informationen zu Helium für die MRT-Kühlung und Angebote für das tiefkalt verflüssigte Medium erhalten Anlagenbetreiber, Praxen oder Kliniken bei unserem Partnerportal gasido.de.

Helium- und MRT-Kühlung mit Kaltwassersatz realisieren

Beim MRT Kühlen nimmt Helium Wärme der Spulen auf, die über Kurz oder Lang dazu führt, dass die Temperatur der Flüssigkeit steigt. Um das Sieden und Quenchen zu verhindern, führt ein Kaltwassersatz die thermische Energie des Heliums ab. Für die MRT-Kühlung sind die Kältemaschinen daher besonders wichtig.

Kaltwasser zirkuliert zwischen MRT und Kaltwassersatz

Aus dem Kaltwassersatz strömt Kaltwasser mit einer Temperatur von etwa 10 Grad Celsius zum Magnetresonanztomographen in der Praxis oder der Klinik. Hier nimmt das Medium Abwärme zum MRT Kühlen auf. Seine Temperatur steigt und es strömt zum Kaltwassersatz zurück, der das Medium kontinuierlich regeneriert. Ist der Kaltwassersatz der MRT-Kühlung ausgefallen, löst das die beschriebene Kettenreaktion aus: Helium erwärmt sich, siedet und dehnt sich so stark aus, dass der Druckanstieg die Anlage zum Bersten bringt. Gleichzeitig übersteigt der Supraleiter seine Sprungtemperatur, was zum Anstieg des Widerstandes und hohen Temperaturen in der Anlage führt.

Effizient: MRT kühlen mit natürlichen Kältemitteln

Der Betrieb von Magnetresonanztomographen verbraucht viel Strom und ist daher mit hohen Kosten verbunden. Wer die Wirtschaftlichkeit einer solchen Anlage steigern möchte, sollte dabei auf jedes Detail achten. Wichtig ist in diesem Zusammenhang beispielsweise die Auswahl des richtigen Kältemittels. Während konventionelle Kältemittel zur MRT-Kühlung vergleichsweise günstig in der Anschaffung sind, verursachen sie hohe Wartungs- und Prüfkosten. Durch die F-Gase-Verordnung ist es in Zukunft außerdem nötig, konventionelle Kältemittel auszutauschen, was mit Zusatzkosten, Umbauarbeiten und Stillstandszeiten einhergeht.

Höhere Energieeffizienz und geringerer Wartungsaufwand

Natürliche Kältemittel wie Ammoniak-Dimethylether (R723) stellen eine zukunftssichere Alternative zu konventionellen Medien dar, da sie kein Ozonabbaupotential (ODP = 0) und einen sehr geringen Einfluss auf den Treibhauseffekt (GWP = 8) haben. Sie sind auf lange sich hin nicht mit Nach- oder Umrüstarbeiten verbunden und sorgen auch im Betrieb der Kaltwassersätze für einen besonderen Vorteil: Durch die Eigenschaften von R723 zur MRT-Kühlung sinkt der Energiebedarf des Kaltwassersatzes um bis zu 50 Prozent. Außerdem sinken in der Regel auch die Anforderungen an Wartungs- und Prüfarbeiten.

Höhere Anfangskosten rechnen sich in der Praxis schnell

Experten wissen: Die Errichtung der MRT-Kühlung mit Kaltwassersatz und natürlichen Kältemitteln verursacht erst einmal deutlich höhere Investitionen. Ein Vergleich der Energie- und Betriebskosten zeigt jedoch, dass sich die anfänglichen Mehrkosten schnell amortisieren – in vielen Fällen reichen dabei fünf Betriebsjahre. Nach einem Zeitraum von 10 bis 15 Jahren sind die Einsparungen meist immens. Konkrete Aussagen liefert eine Fachfirma für kältetechnische Anlagen, die Ausgaben und Einsparungen individuell berechnet.

MRT-Kühlung ausgefallen: Mietgeräte helfen schnell

Trotz sorgfältigster Wartung und Pflege sind Probleme nie ausgeschlossen. Im Falle der MRT-Kühlung verursachen technische Störungen allerdings schon nach kurzer Zeit erhebliche Schäden (Quenchen) oder Mehrkosten (Notabschaltung). Indem Praxen oder Kliniken einen Kaltwassersatz zum MRT Kühlen mieten, beugen sie beiden Problemen vor. Denn abhängig von der Verfügbarkeit der Geräte sind diese meist innerhalb weniger Stunden am Einsatzort. Auch Montage und Inbetriebnahme lassen sich mit geschultem Servicepersonal in kurzer Zeit realisieren. Die Kühltechnik ist schnell wieder in Betrieb und anstelle einer Komplettabschaltung, bei der auch das flüssige Helium abgelassen werden muss, reicht ein Betrieb mit niedriger Leistung (Stand-by), aus dem sich die Anlage in kurzer Zeit wieder komplett starten lässt.

Kaltwassersatz für die MRT-Kühlung mieten: So funktioniert es

Gibt es eine Störung, die sich nicht innerhalb weniger Stunden beheben lässt, ordern Betreiber ein Ersatzgerät bei einem Verleihbetrieb aus ihrer Region. Die Leistungsdaten müssen denen des defekten Kaltwassersatzes entsprechen und sind daher in aller Regel bekannt. Nach der Bestellung kümmern sich die Verleiher um den zügigen Versand. Sie liefern die Technik an und nehmen diese mit eigenen Service-Technikern in Betrieb. Bis zur Abholung sorgt ein 24 Stunden täglich erreichbarer Notdienst dann dafür, dass Probleme und Störungen schnell behoben sind.

Diese Vorarbeiten sind für den Miet-Kaltwassersatz erforderlich

Ist die MRT-Kühlung mit Kaltwassersatz und Helium ausgefallen, sind für Mietgeräte drei Punkte besonders wichtig:

  1. Ein Aufstellort in der Nähe des Magnetresonanztomographen ist zu finden, den auch ein LKW anfahren kann.
  2. Ein 400 Volt Stromanschluss mit einer Absicherung von etwa 63 Ampere muss am Aufstellort vorhanden sein.
  3. Ein Flansch-Anschluss an das bestehende Kaltwassernetz der MRT-Kühlung ist vorzubereiten.

Sind all diese Voraussetzungen erfüllt, lässt sich der Kaltwassersatz zum Mieten in Kürze anschließen und in Betrieb nehmen, sodass schwerwiegende Schäden oder hohe Folgekosten ausbleiben.

Kaltwassersatz mieten lohnt sich auch bei Wartungsarbeiten

Nicht nur bei einer Störung: Auch bei geplanten Wartungs-, Reparatur- und Umbauarbeiten können Praxen und Kliniken mit Mietlösungen das MRT kühlen, ohne den Kernspintomographen abschalten zu müssen. Das spart Zeit und vor allem Geld für das Wiederbefüllen mit Helium und das erneute Hochfahren der Anlage.

Redundanz mit Mietgeräten schafft Sicherheit für den Notfall

Die bestmögliche Absicherung schafft ein redundanter Kaltwassersatz, der im Ernstfall übernehmen kann. Diesen aufzustellen und regelmäßig zu warten ist allerdings mit erheblichen Kosten verbunden. Eine Alternative ist es, die Mietlösung als Redundanzgerät zu nutzen. Dazu wenden sich Praxen oder Kliniken an einen Verleiher aus ihrer Region, solange keine Störung besteht. Sie wählen ein passendes Gerät, besprechen einen Aufstellort und führen die wichtigsten Zuarbeiten wie das Legen des Stromanschlusses und das Vorbereiten der Flanschverbindung im Vorfeld aus. Kommt es dann zu einem Ausfall der MRT-Kühlung, sind Ersatzgeräte schon nach kurzer Zeit am Einsatzort in Betrieb.

Häufig gestellte Fragen

Warum ist es wichtig, ein MRT zu kühlen?

Magnetresonanztomographen benötigen die Kühlung, um elektrische Leiter auf sehr niedrige Temperaturen zu bringen. Auf diese Weise entstehen Supraleiter, durch die ohne Widerstand viel Strom fließen kann. Das ist nötig, um hohe Magnetfelder aufbauen und eine Resonanz der Teilchen im Körper hervorrufen zu können. Letztere macht es möglich, Schnitt- und 3D-Bilder aus menschlichen und tierischen Körpern zu erstellen.

Wie lässt sich eine MRT kühlen?

Die Kühlung der Magnetspulen erfolgt vordergründig mit Helium, dem einzigen Element der Erde, welches am absoluten Nullpunkt in flüssiger Form vorliegt. Um das Helium und die anderen Komponenten der Technik zu kühlen, kommen außerdem Kaltwassersätze zum Einsatz. Diese bringen Kühlwasser auf niedrige Temperaturen, sodass dieses viel Wärme aufnehmen kann.

Was passiert, wenn die Kühlung am MRT ausgefallen ist?

Bei einer Störung erwärmt sich das Helium. Es siedet, dehnt sich stark aus und beschädigt durch den ansteigenden Druck die Kryoanlage. Um das zu verhindern, ist das flüssige Helium im Ernstfall rechtzeitig abzulassen. Ohne das kühlende Helium erwärmen sich die Spulen. Die Temperatur überschreitet die sogenannte Sprungtemperatur und aus den Supraleitern werden normale elektrische Leiter. Es kommt zu einer starken Wärmeentwicklung und Schäden an der Anlage. Um das sogenannte Quenchen nach einem Ausfall der MRT-Kühlung zu vermeiden, sind die Anlagen rechtzeitig abzuschalten. Die Wiederinbetriebnahme ist allerdings teuer und zeitaufwendig. So dauert es mehrere Tage, bis das Magnetfeld aufgebaut und der Kernspintomograph betriebsbereit ist.

Welche Lösungen gibt es für einen Ausfall der MRT-Kühlung?

Für Abhilfe sorgen Mietlösungen. Mobile Kaltwassersätze lassen sich in kurzer Zeit zum Einsatzort bringen, dort anschließen und in Betrieb nehmen, um das Quenchen oder eine Notabschaltung zu verhindern. Nötig sind dazu ein Aufstellort, ein 400-V-Stromanschluss mit entsprechender Absicherung und ein Flansch-Anschluss am bestehenden Kaltwassernetz. Sinnvoll ist es, die Vorarbeiten mit dem Bau der Anlage durchzuführen und mit Verleihern frühzeitig einen Notfallplan auszuarbeiten.

Autor: Marc Bode

Marc Bode

Marc ist Geschäftsführer bei Deutsche Thermo. Er arbeitet seit 2009 in der Energiebranche und hat seine Ausbildung bei einem Anbieter für Flüssiggas gemacht. Seitdem war der Experte für Wärme- und Kältetechniken in vielen verschiedenen Funktionen tätig und hat 2020 Deutsche Thermo gestartet.