近日，我國自主研發的核磁共振儀器已在中國科學院深圳先進技術研究院研制成功并實現量產，解除了國外對這項技術的長期封鎖。

(資料圖)

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

誕生于對世界的好奇

核磁共振技術的起源，要從一個名叫奧托·斯特恩的物理學家說起。

1888年，奧托·斯特恩出生在德國，1912年，他在獲得物理化學博士學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任教，并結識了時任該大學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。出于對物質世界本質的好奇，他和助手們開始了分子束實驗。

此時，第一次世界大戰剛剛結束，法蘭克福大學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，共籌集經費約7000馬克。正是這些資金，保證了斯特恩實驗的延續性。

到1920年，該實驗取得了重大進展，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，并測量出質子這一亞原子粒子的磁矩。

但當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生多大的影響。

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

二戰期間，布洛赫和珀塞爾在與拉比等物理學家的合作和交往中奠定了核磁共振研究的基礎。二戰剛結束，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的核磁屬性方面取得了突破性進展。

到1946年，斯坦福一位物理學家的助手瓦里安敏銳地意識到了核磁共振技術在化學分析領域的廣泛應用前景。于是，他說服了布洛赫等人，開啟了核磁共振的商業化道路。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，通過與計算機技術、電子電路技術和超導體技術的結合，英國科學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（MRI）向醫學臨床應用和其他更廣泛的領域迅速擴展。

如何克服制造之難

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

那么，核磁共振成像是如何做到的呢？這主要依靠超強的磁場環境。

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）一般處在毫無規律的運動狀態。但在核磁儀制造出的強磁場環境下，射頻場可以對人體的氫原子發射能量，氫原子吸收和釋放能量，并產生核磁共振，其信號被收集后再經由電腦處理成圖像。

因此，核磁共振儀最核心的部分就在于超導磁體。

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

想要實現核磁共振儀在-260以下長久運作，不僅需要強大的電力保障，還需要相關技術和生產工業鏈的完備。另外，其他零部件也具有很高的技術要求，例如磁信號轉圖像、芯片、射頻能量接收釋放等。因此，在過去的很長一段時間內，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費用也十分高昂。

而現在，在北京大學深圳醫院，我國自主研發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。

據了解，國產核磁共振儀核心組件均由我國自主研發，擁有124項先進專利，其價格門檻也從3000萬元下探至260萬元。這將使相關檢查費用逐漸降低，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，是我國科研機制的創新。在中國科學院深圳先進技術研究院，所有科研項目從立項之初，就要和產業需求牢牢綁定，以重大需求為導向，重點解決“卡脖子”的難題，市場的痛點，便成了研發單位首要的攻克目標。

而產業端的及時反饋，也讓研發機構能夠及時調整路徑，有所突破。以第一批國產核磁共振儀器為例，其合作開發單位之一的聯影醫療，就在儀器上市不久后為科研團隊帶來了臨床反饋，并聯合科研機構共同攻關，有效實現了產研融合。

多元場景，未來可期

在今年6月舉行的國際醫學磁共振學會年會上，AI與醫學影像結合的進展獲得了廣泛關注。部分專家認為，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，磁共振領域的人工智能應用不斷涌現新進展，推動磁共振在效率、效果、流程優化等多方面加速進化。

其中，深透醫療通過將人工智能與醫學影像數據結合，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，將避免患者進行耗時耗力、流程復雜的多次圖像檢查。

事實上，經過半個多世紀的深入研究和飛速發展，核磁共振技術不斷突破，形成一門具有完整理論基礎、用途廣泛的新學科。

在化學化工、高分子材料研究領域，核磁共振的應用范疇廣泛。例如，在火箭燃料的裝填中，核磁共振可以準確探測固體燃料中的缺陷，及填充物、推進劑、增塑劑的分布情況。

在地質勘探領域，核磁共振可以對礦區巖石進行快速的無損檢測，從而實現快速、經濟、連續地評價油氣儲層的物理性質的目的。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，也有學者認為，到目前為止，核磁共振技術的發展仍然方興未艾，例如在量子信息處理、分子結構測試及有機合成反應、心理學及精神衛生等眾多領域都有著潛在且龐大的技術創新前景。

（文章來源：解放日報）

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