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借助虚拟仿真，让 MRI 技术触手可及

Voxelgrids Innovations 公司经过多项优化设计，成功研制出印度首台完全国产的磁共振成像（MRI）扫描仪，使患者能够以更经济实惠的费用接受检查。多物理场仿真技术在该设备的研发过程中，发挥了至关重要的作用。

作者 Dhananjay Mishra
2026 年 6 月

在推动高端医学影像设备更加普惠的研发赛道上，Voxelgrids Innovations 曾面临一个巨大挑战：传统 MRI 磁体需要耗时数周完成冷却。借助 COMSOL Multiphysics^® 软件及其附加的传热模块，研发团队将原本需要耗费数月的试错过程，压缩为短短几天的虚拟仿真实验。不仅将产品研发周期缩短了40%，还成功让旗下的 MRI 设备摆脱了对昂贵氦气的依赖。最终，团队成功研制出印度首台国产商用 1.5 特斯拉（T）MRI 扫描仪。

MRI 系统面临的挑战 & Voxelgrids 的解决方案

几十年来，核磁共振（MRI）检查挽救了无数生命，为医生提供了其他任何技术都无法比拟的探查人体内部的方法。然而，由于检查费用高昂，许多人依然无法负担这项检查。相关费用居高不下的主要原因，是维持整套设备运转的巨型超导磁体的养护成本。通常情况下，这类磁体想要正常工作，需要向其灌注数千升液氦，以维持极低的温度。但液氦不仅价格昂贵，而且往往难以获取。除此之外，设备的冷却过程非常缓慢，最长可能需要长达三周的时间，才能将机器再次投入使用。

2017 年，Arjun Arunachalam 博士创立了 Voxelgrids 公司，并设立了一个宏大目标：让每一个人都能负担得起低成本的MRI检查。Voxelgrids 团队开始着手研发一款高性能、小型化 1.5T 扫描仪，计划采用传导式冷却系统，而非传统的液氦冷却。这一创新冷却系统的核心部件是冷头（cold head）——一种机械耦合式低温制冷机，能直接从磁体中导出热量，使磁体维持在 4.2 K 的超导工作温度。虽然基于液氦的传统 MRI 设备也装有冷头，但 Voxelgrids 的冷头专为传导冷却而设计，通过热传导进行散热，彻底摆脱了对液氦的依赖。

然而，团队的构想落地面临着诸多挑战。首先，不同冷头的工作性能存在差异，其性能取决于复杂且相互关联的两级式冷却曲线，每一级的制冷量都会随温度呈现非线性变化。此外，金属表面之间的接触热阻、界面处的压力以及组件间的热传递，都可能极大地改变系统的运行状态，而且这些参数都极难测量和量化。更棘手的是，每提出一个新的设计方案，都需要经历长达两周的冷却测试过程，才能验证是否可行。

Voxelgrids 的高级仿真工程师 Ashok KB 博士回忆道：“我们会选定一个冷头，将它装配固定后启动冷却流程，接下来便是最难熬的环节——漫长的等待。在将近一个月的时间里，我们只能等待并祈祷，结果却往往发现设计存在薄弱环节或热传导问题。一切只得从头再来。”

对于一家追求快速创新的初创公司来说，这样的时间周期在运营和财务上都是完全不可接受的。团队急需一种准确可靠的方法来测试他们的想法，而不是把几周的时间耗费在等待结果上。为了更有信心地挑选冷头的设计方案并减少漫长的原型制作周期，团队引入了多物理场仿真技术。

模拟冷却过程

在 MRI 系统中，通常采用两级冷却机制来维持超导磁体处于运行所需的低温状态。在第一级阶段，冷头充当热屏障，在大约 40 K 至 50 K 的中间温度范围内运行，用于冷却周围的辐射屏蔽罩。这一过程能有效阻挡外部热负荷进入磁体组件，并为第二级冷却的启动创造条件。第二级阶段则可降至约 4 K 的极限基准温度，这是维持磁体线圈超导状态的必要条件。

Voxelgrids 团队为其传导冷却磁体系统构建了一个高精度的虚拟模型。其中，首要任务是精确模拟冷头的性能，以便动态计算出在冷却过程中各个温度节点能够带走的热量。图 2 显示，该冷头模型的试验结果与第一级冷却过程的仿真结果高度吻合。

这种由仿真驱动的方法，赋予了团队探索广泛设计可能性的自由。面对众多各具独特两级性能特征的冷头选项，团队能够在虚拟环境中测试各种排列组合。通过模拟不同的应用场景，工程师们对比了设备的冷却行为和温度稳定性，最终筛选出最符合需求的设计方案。此外，团队还借助仿真研究了关键的失效模式，即模拟冷头工作异常、温差悬殊的一级与二级制冷发生异常热交叠时的状况。仿真结果证实，最终设计方案能够在实际运行工况下保持良好的热隔绝，这让团队在进入原型机制作阶段前吃下了一颗定心丸。

工程师们在基础款冷头的初始设计模型基础上，又逐步引入了更多物理现象对模型加以完善。例如，机械连接处的接触热阻会产生显著的隔热屏障，相关参数根据表面加工精度与紧固压力完成了定义。同时，模型还加入了真空腔体内各表面之间的辐射换热。借助多物理场耦合方法，团队得以构建出一个高度还原真实工况的仿真模型。

温度分布可视化

研究团队发现，模型最亮眼的成果之一是能够直观呈现磁体在冷却过程中的温度分布。如图 3 所示，仿真运算生成了磁体组件详细的等温线与温度梯度分布图。

这些结果对于观察热量如何从冷头传导至复杂的磁体结构至关重要。通过仿真，团队能够识别出由于热传导路径不畅而导致热量积聚，以及因热质量过大而拖慢了冷却进程的部位。这些发现帮助团队精准定位了导热过多的区域，为后续机械结构的优化设计提供了关键依据。

仿真结果验证

任何仿真模型的终极检验标准，都是其结果是否与现实世界相符。团队在虚拟环境中完成设计方案优化后，制造了一台实体原型机并启动了冷却测试。他们监测了设备关键点位的温度变化，并将测试数据与仿真的预测曲线进行了对比。

结果显示二者几乎完美吻合：仿真预测设备达到工作温度的冷却时长约为20天，而实际物理实验耗时约21天（图 4）。产生微小偏差的原因是，为简化计算，初始模型省略了部分电气元件。试验与模拟结果的高度一致性证实，多物理场仿真能够准确预测系统的真实性能。

从数月到数小时：加速创新之路

仿真技术的应用对研发进程带来了可量化的巨大提升。原本耗时数月的设计、制造与测试全周期被大幅缩短，团队得以同步探索多种设计方案。单次虚拟冷却分析仅需不到8个小时，这意味着，在过去只够进行一次物理实验的时间，团队如今能够完成多款冷头配置、选材以及机械布局方案的测评。此外，借助 COMSOL 仿真软件，团队能够以安全且低成本的方式分析各类失效模式和极端工况，并能模拟和分析冷头性能下降或组装不当等情况，深入验证系统的可靠性与稳定性。

团队依托仿真技术加速推进的创新成果对医疗科技行业产生了深远影响：Voxelgrids 成功研发出印度首款本土制造的商用 1.5T MRI 扫描仪（图 5），并已在印度 Nagpur 市的 Chandrapur 肿瘤医院投入使用。这款设备结构紧凑、体积轻便，专为在严苛复杂的安装环境下部署和运行而设计，并且依然能够为临床诊断提供出色的影像质量。凭借这台机器，Voxelgrids 团队顺利实现了推动 MRI 普惠检查的重要目标。