核磁共振的国产突围

近日，我国自主研发的核磁共振仪器已在中国科学院深圳先进技术研究院研制成功并实现量产，解除了国外对这项技术的长期封锁。

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那么，你知道核磁共振仪的发明历程是怎样的吗？核磁共振仪在研发制造上有哪些难点？未来，这项技术又将怎样影响人类的生活？

诞生于对世界的好奇

核磁共振技术的起源，要从一个名叫奥托·斯特恩的物理学家说起。

1888年，奥托·斯特恩出生在德国，1912年，他在获得物理化学博士学位后跟随爱因斯坦来到瑞士苏黎世。

1914年，他前往法兰克福大学任教，并结识了时任该大学理论物理系主任的玻恩。1919年，斯特恩观察到，注入高真空室内的原子或分子沿直线运动，形成一束粒子流，在某些方面类似于光束。出于对物质世界本质的好奇，他和助手们开始了分子束实验。

此时，第一次世界大战刚刚结束，法兰克福大学物理系面临着资金短缺的窘境，系主任玻恩开始有偿向公众介绍爱因斯坦的广义相对论，共筹集经费约7000马克。正是这些资金，保证了斯特恩实验的延续性。

到1920年，该实验取得了重大进展，斯特恩及助手观察到，在外加非均匀磁场的作用下，原子的空间取向是量子化的，并测量出质子这一亚原子粒子的磁矩。

但当时的斯特恩并没有意识到，这个实验将对未来人类的生活产生多大的影响。

1927年，一位美国科学家拉比找到斯特恩，提出了对分子束实验的改进。随后，拉比发明了精确测定核磁属性的方法，并将这一技术带到了美国。

二战期间，布洛赫和珀塞尔在与拉比等物理学家的合作和交往中奠定了核磁共振研究的基础。二战刚结束，布洛赫和珀塞尔就分别到斯坦福和哈佛，用新的方法在精确测定物质的核磁属性方面取得了突破性进展。

到1946年，斯坦福一位物理学家的助手瓦里安敏锐地意识到了核磁共振技术在化学分析领域的广泛应用前景。于是，他说服了布洛赫等人，开启了核磁共振的商业化道路。1952年，瓦里安公司研制出了世界上第一台商用核磁共振波谱测定仪，并用于石油勘探。

1976年，通过与计算机技术、电子电路技术和超导体技术的结合，英国科学家曼斯菲尔德获得世界上第一幅人体断层像。从此，核磁共振成像技术（MRI）向医学临床应用和其他更广泛的领域迅速扩展。

如何克服制造之难

与普通的X射线、CT扫描成像技术不同，核磁共振成像具有成像参数多、扫描速度快、组织分辨率高和图像更清晰等优点，不仅没有放射性，对实质器官以及心脏和大血管的诊断还足够准确。

那么，核磁共振成像是如何做到的呢？这主要依靠超强的磁场环境。

众所周知，人体中的水约占体重的2/3，而且不同组织器官中水的比重存在很大的差异，因此H（氢元素）不仅含量高，还可以满足共振条件。

正常情况下，H（氢元素）一般处在毫无规律的运动状态。但在核磁仪制造出的强磁场环境下，射频场可以对人体的氢原子发射能量，氢原子吸收和释放能量，并产生核磁共振，其信号被收集后再经由电脑处理成图像。

因此，核磁共振仪最核心的部分就在于超导磁体。

目前，市面上普通的核磁共振仪需要达到最少1.5t的磁场，相当于地球磁场的5万倍。而强磁场的产生需要采用超导线圈的强大电流，这势必要让超导磁体在极低温（温度通常在-260以下）状态下运行。

想要实现核磁共振仪在-260以下长久运作，不仅需要强大的电力保障，还需要相关技术和生产工业链的完备。另外，其他零部件也具有很高的技术要求，例如磁信号转图像、芯片、射频能量接收释放等。因此，在过去的很长一段时间内，中国的核磁共振仪市场都被GE、飞利浦、西门子等公司垄断，核磁共振的仪器和维护费用也十分高昂。

而现在，在北京大学深圳医院，我国自主研发的核磁共振仪器已投入工作，它不仅分辨率更高，还加速了成像速度。

据了解，国产核磁共振仪核心组件均由我国自主研发，拥有124项先进专利，其价格门槛也从3000万元下探至260万元。这将使相关检查费用逐渐降低，广大人民群众看病的花费也会随之减少。

在这一成就的背后，是我国科研机制的创新。在中国科学院深圳先进技术研究院，所有科研项目从立项之初，就要和产业需求牢牢绑定，以重大需求为导向，重点解决“卡脖子”的难题，市场的痛点，便成了研发单位首要的攻克目标。

而产业端的及时反馈，也让研发机构能够及时调整路径，有所突破。以第一批国产核磁共振仪器为例，其合作开发单位之一的联影医疗，就在仪器上市不久后为科研团队带来了临床反馈，并联合科研机构共同攻关，有效实现了产研融合。

多元场景，未来可期

在今年6月举行的国际医学磁共振学会年会上，AI与医学影像结合的进展获得了广泛关注。部分专家认为，随着AI全方位降临，磁共振成像将在各个方向上变得更加普及、高效。

近年来，磁共振领域的人工智能应用不断涌现新进展，推动磁共振在效率、效果、流程优化等多方面加速进化。

其中，深透医疗通过将人工智能与医学影像数据结合，从上游，即图像生成过程切入，能加速MRI成像过程4—10倍，并保证诊断级别的精确度。

另外，磁共振也在迎来进一步的升级和整合，在未来的“一站式图像中心”，通过混合PET/MRI成像，将避免患者进行耗时耗力、流程复杂的多次图像检查。

事实上，经过半个多世纪的深入研究和飞速发展，核磁共振技术不断突破，形成一门具有完整理论基础、用途广泛的新学科。

在化学化工、高分子材料研究领域，核磁共振的应用范畴广泛。例如，在火箭燃料的装填中，核磁共振可以准确探测固体燃料中的缺陷，及填充物、推进剂、增塑剂的分布情况。

在地质勘探领域，核磁共振可以对矿区岩石进行快速的无损检测，从而实现快速、经济、连续地评价油气储层的物理性质的目的。另外，与油气勘探类似，它还能帮助我们解决水资源匮乏的难题。

不过，也有学者认为，到目前为止，核磁共振技术的发展仍然方兴未艾，例如在量子信息处理、分子结构测试及有机合成反应、心理学及精神卫生等众多领域都有着潜在且庞大的技术创新前景。

（文章来源：解放日报）

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