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近日，我國自主研發(fā)的核磁共振儀器已在中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研制成功并實現(xiàn)量產(chǎn)，解除了國外對這項技術(shù)的長期封鎖。

(資料圖)

那么，你知道核磁共振儀的發(fā)明歷程是怎樣的嗎？核磁共振儀在研發(fā)制造上有哪些難點？未來，這項技術(shù)又將怎樣影響人類的生活？

誕生于對世界的好奇

核磁共振技術(shù)的起源，要從一個名叫奧托·斯特恩的物理學(xué)家說起。

1888年，奧托·斯特恩出生在德國，1912年，他在獲得物理化學(xué)博士學(xué)位后跟隨愛因斯坦來到瑞士蘇黎世。

1914年，他前往法蘭克福大學(xué)任教，并結(jié)識了時任該大學(xué)理論物理系主任的玻恩。1919年，斯特恩觀察到，注入高真空室內(nèi)的原子或分子沿直線運動，形成一束粒子流，在某些方面類似于光束。出于對物質(zhì)世界本質(zhì)的好奇，他和助手們開始了分子束實驗。

此時，第一次世界大戰(zhàn)剛剛結(jié)束，法蘭克福大學(xué)物理系面臨著資金短缺的窘境，系主任玻恩開始有償向公眾介紹愛因斯坦的廣義相對論，共籌集經(jīng)費約7000馬克。正是這些資金，保證了斯特恩實驗的延續(xù)性。

到1920年，該實驗取得了重大進(jìn)展，斯特恩及助手觀察到，在外加非均勻磁場的作用下，原子的空間取向是量子化的，并測量出質(zhì)子這一亞原子粒子的磁矩。

但當(dāng)時的斯特恩并沒有意識到，這個實驗將對未來人類的生活產(chǎn)生多大的影響。

1927年，一位美國科學(xué)家拉比找到斯特恩，提出了對分子束實驗的改進(jìn)。隨后，拉比發(fā)明了精確測定核磁屬性的方法，并將這一技術(shù)帶到了美國。

二戰(zhàn)期間，布洛赫和珀塞爾在與拉比等物理學(xué)家的合作和交往中奠定了核磁共振研究的基礎(chǔ)。二戰(zhàn)剛結(jié)束，布洛赫和珀塞爾就分別到斯坦福和哈佛，用新的方法在精確測定物質(zhì)的核磁屬性方面取得了突破性進(jìn)展。

到1946年，斯坦福一位物理學(xué)家的助手瓦里安敏銳地意識到了核磁共振技術(shù)在化學(xué)分析領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。于是，他說服了布洛赫等人，開啟了核磁共振的商業(yè)化道路。1952年，瓦里安公司研制出了世界上第一臺商用核磁共振波譜測定儀，并用于石油勘探。

1976年，通過與計算機(jī)技術(shù)、電子電路技術(shù)和超導(dǎo)體技術(shù)的結(jié)合，英國科學(xué)家曼斯菲爾德獲得世界上第一幅人體斷層像。從此，核磁共振成像技術(shù)（MRI）向醫(yī)學(xué)臨床應(yīng)用和其他更廣泛的領(lǐng)域迅速擴(kuò)展。

如何克服制造之難

與普通的X射線、CT掃描成像技術(shù)不同，核磁共振成像具有成像參數(shù)多、掃描速度快、組織分辨率高和圖像更清晰等優(yōu)點，不僅沒有放射性，對實質(zhì)器官以及心臟和大血管的診斷還足夠準(zhǔn)確。

那么，核磁共振成像是如何做到的呢？這主要依靠超強(qiáng)的磁場環(huán)境。

眾所周知，人體中的水約占體重的2/3，而且不同組織器官中水的比重存在很大的差異，因此H（氫元素）不僅含量高，還可以滿足共振條件。

正常情況下，H（氫元素）一般處在毫無規(guī)律的運動狀態(tài)。但在核磁儀制造出的強(qiáng)磁場環(huán)境下，射頻場可以對人體的氫原子發(fā)射能量，氫原子吸收和釋放能量，并產(chǎn)生核磁共振，其信號被收集后再經(jīng)由電腦處理成圖像。

因此，核磁共振儀最核心的部分就在于超導(dǎo)磁體。

目前，市面上普通的核磁共振儀需要達(dá)到最少1.5t的磁場，相當(dāng)于地球磁場的5萬倍。而強(qiáng)磁場的產(chǎn)生需要采用超導(dǎo)線圈的強(qiáng)大電流，這勢必要讓超導(dǎo)磁體在極低溫（溫度通常在-260以下）狀態(tài)下運行。

想要實現(xiàn)核磁共振儀在-260以下長久運作，不僅需要強(qiáng)大的電力保障，還需要相關(guān)技術(shù)和生產(chǎn)工業(yè)鏈的完備。另外，其他零部件也具有很高的技術(shù)要求，例如磁信號轉(zhuǎn)圖像、芯片、射頻能量接收釋放等。因此，在過去的很長一段時間內(nèi)，中國的核磁共振儀市場都被GE、飛利浦、西門子等公司壟斷，核磁共振的儀器和維護(hù)費用也十分高昂。

而現(xiàn)在，在北京大學(xué)深圳醫(yī)院，我國自主研發(fā)的核磁共振儀器已投入工作，它不僅分辨率更高，還加速了成像速度。

據(jù)了解，國產(chǎn)核磁共振儀核心組件均由我國自主研發(fā)，擁有124項先進(jìn)專利，其價格門檻也從3000萬元下探至260萬元。這將使相關(guān)檢查費用逐漸降低，廣大人民群眾看病的花費也會隨之減少。

在這一成就的背后，是我國科研機(jī)制的創(chuàng)新。在中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，所有科研項目從立項之初，就要和產(chǎn)業(yè)需求牢牢綁定，以重大需求為導(dǎo)向，重點解決“卡脖子”的難題，市場的痛點，便成了研發(fā)單位首要的攻克目標(biāo)。

而產(chǎn)業(yè)端的及時反饋，也讓研發(fā)機(jī)構(gòu)能夠及時調(diào)整路徑，有所突破。以第一批國產(chǎn)核磁共振儀器為例，其合作開發(fā)單位之一的聯(lián)影醫(yī)療，就在儀器上市不久后為科研團(tuán)隊帶來了臨床反饋，并聯(lián)合科研機(jī)構(gòu)共同攻關(guān)，有效實現(xiàn)了產(chǎn)研融合。

多元場景，未來可期

在今年6月舉行的國際醫(yī)學(xué)磁共振學(xué)會年會上，AI與醫(yī)學(xué)影像結(jié)合的進(jìn)展獲得了廣泛關(guān)注。部分專家認(rèn)為，隨著AI全方位降臨，磁共振成像將在各個方向上變得更加普及、高效。

近年來，磁共振領(lǐng)域的人工智能應(yīng)用不斷涌現(xiàn)新進(jìn)展，推動磁共振在效率、效果、流程優(yōu)化等多方面加速進(jìn)化。

其中，深透醫(yī)療通過將人工智能與醫(yī)學(xué)影像數(shù)據(jù)結(jié)合，從上游，即圖像生成過程切入，能加速MRI成像過程4—10倍，并保證診斷級別的精確度。

另外，磁共振也在迎來進(jìn)一步的升級和整合，在未來的“一站式圖像中心”，通過混合PET/MRI成像，將避免患者進(jìn)行耗時耗力、流程復(fù)雜的多次圖像檢查。

事實上，經(jīng)過半個多世紀(jì)的深入研究和飛速發(fā)展，核磁共振技術(shù)不斷突破，形成一門具有完整理論基礎(chǔ)、用途廣泛的新學(xué)科。

在化學(xué)化工、高分子材料研究領(lǐng)域，核磁共振的應(yīng)用范疇廣泛。例如，在火箭燃料的裝填中，核磁共振可以準(zhǔn)確探測固體燃料中的缺陷，及填充物、推進(jìn)劑、增塑劑的分布情況。

在地質(zhì)勘探領(lǐng)域，核磁共振可以對礦區(qū)巖石進(jìn)行快速的無損檢測，從而實現(xiàn)快速、經(jīng)濟(jì)、連續(xù)地評價油氣儲層的物理性質(zhì)的目的。另外，與油氣勘探類似，它還能幫助我們解決水資源匱乏的難題。

不過，也有學(xué)者認(rèn)為，到目前為止，核磁共振技術(shù)的發(fā)展仍然方興未艾，例如在量子信息處理、分子結(jié)構(gòu)測試及有機(jī)合成反應(yīng)、心理學(xué)及精神衛(wèi)生等眾多領(lǐng)域都有著潛在且龐大的技術(shù)創(chuàng)新前景。

（文章來源：解放日報）

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