超高磁场核磁共振技术 | 应用物理前沿推介系列No.26
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本期推介
超高磁场核磁共振技术前沿发展
磁场是一个重要的热力学参量，既能与电荷，也能与磁矩相互作用。磁场作为工具，在物质科学、材料科学、地球科学、化学、生命科学、工程技术等研究中，均具有不可替代性，科技发展中大量的前沿课题迫切需要在更强的磁场下开展。其中，核磁共振技术（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是强磁场领域应用最为广泛的研究技术之一。核磁共振是指原子核在外加静磁场和交变电磁场的作用下发生能量共振吸收和弛豫的物理现象。通过核磁共振实验，人们可以直接获知原子核系统的状态，而其会受到原子核周围环境的影响，从而可以间接获取原子核周围的电子状态、晶体或分子结构的信息。核磁共振不仅是研究物理学，化学，生物学等基础科学不可缺欠的微观实验手段，普遍应用于各国的大学、研究机构中，而且还被广泛地应用于医疗成像，石油勘探，日用化工和医药设计等各个行业。
在核磁共振广泛的应用中，最为人知的是用于医疗诊断上在核磁共振成像技术，其中最常用是平面成象，即获取样品平面（断面）上的分布信息，称作核磁共振计算机断层成象。就人体而言，体内的大部分物质都是水，且不同组织中水的含量也不同。用磁共振成像手段可测定生物组织中含水量分布的图像，这实际上就是水密度分布的图像。当体内遭受某种疾病时，其含水量分布就会发生变化，利用氢核的核磁共振就能诊断出来。相比于X射线技术，核磁共振成像技术能无损、实时、和清晰的显示出包括大脑在内的各种软组织结构的细节，并且没有电离辐射，对病人无辐射危害。由于磁共振信号信噪比与磁场的平方成正比，因此为了提高成像空间分辨率，努力增强核磁成像磁体的磁场强度是国内外强磁场科学领域最前沿的方向。目前，走在世界最前沿的是法国原子能和替代能源委员会（CEA）巴黎萨克雷（Paris-Saclay）分部，他们一直都在进行着世界上最强大的人体成像项目，与西门子医疗等合作伙伴共同研发了最高磁场可达11.7 T的超高场人体磁共振系统（图1）。该系统始于21世纪初开始的“Iseult”项目，其中所使用的超导磁体重132吨，长5 m，外径 5 m，内径90 cm，允许整个人体通过，最高磁场可以达到 11.7 T的标称磁场，比标准医院核磁成像系统（通常为 1.5 或 3 T）的磁场强得多，分辨率等能力有望提升一个数量级。为实现该磁场，超导磁体由 1,500 安培的电流供电，并由处于 1.8 K (-271.35°C) 的超流体状态的液氦中永久冷却。
图 1. 法国CEA研发的11.7 T全身核磁成像系统示意图 。
在2021年底，法国CEA原子能研究所Iseult 项目已经克服重重困难[1]，顺利获得了首批图像(图2)，他们选用了具有多种纹理的南瓜进行测试，南瓜的图像在三个维度上具有 400 微米的分辨率。这样的一个结果的获得是非常的不容易，整个系统在安装过程中，研发团队遇到了大量挑战，如在巨大磁体内填充超过7000L海量液氦、升场中进行复杂的调试等，仅升场就有超过1300道工序需要处理，但最终整个研发团队克服困难，实现了目标，这样的结果也表示 CEA 及其合作伙伴的科学和技术团队之后有望能够实现探测人类的大脑，以造福于基础研究，认知科学和理解大脑病理学。
图 2. 11.7 T全身核磁成像系统的首个成像图片。
在超高场人体全身成像方面，国内也有着重要进展。2022年，中国科学院研究团队成功研制出9.4 T超高场人体全身磁共振成像超导磁体[2,3]。与CEA的11.7 T系统类似，用于人体全身成像的9.4 T超高场磁共振成像超导磁体（图3），同样需要在大孔径内提供高均匀性和高稳定度的强磁场，研制和系统集成难度极高，代表了国内在这方面的最高水平。目前，该磁体的中心磁场强度可以达到9.4559T，室温孔径800.3毫米，磁场稳定度百万分之0.022/小时（图4），400毫米球形成像区域内磁场均匀性峰值百万分之3.05，且实现了液氦零挥发的长期稳定运行，这项成果达到国际领先水平，打破了国外对该技术的垄断。目前该系统正在进行射频部分研制，并有望很快可以用于人体，特别是用于脑部疾病的研究，并且通过不断的技术开发，有望实现国内超高场商用医疗诊断系统的研制，在这方面逐渐拜托对国外的依赖。
图 3. 电工所所研制的9.4 T全身人体核磁共振成像系统磁体。
图 4. 9.4 T全身人体核磁共振成像系统磁体的磁场稳定性。
超导材料是实现超高场磁场必须采用的材料，上述提高的两个最新进展离不开常规超导材料的发展和人们日渐丰富的超导磁体建造经验，但是常规超导材料有一个很大的问题，就是上临界磁场小于23T，因此用常规超导材料可以产生的磁场大小难以突破这个限制。为了实现更高磁场下的核磁共振技术，全世界目前都把研发重心投入到了铜基高温超导材料上，利用铜基高温超导体上临界磁场高、临界电流密度大的优势，采用高温超导材料制作内磁体，外部背场磁体继续采用常规超导材料以节约成本，最终制作出全超导混合磁体，在线圈中心有望产生23 T以上稳定的强磁场，并最终应用于核磁共振技术。在这样的系统集成方面，德国的Bruker公司走在了最前列，2020年在意大利的佛罗伦萨大学完成了首套磁场可以达到28.2 T的1.2 GHz商业核磁共振系统的研发和安装（图5），并经过2年的测试，真正实现了在该磁场下稳定和高效的工作[4]。这样一套系统的集成就是借助了高温超导材料，与只用低温超导材料的系统相比，由于磁场强度显著增强，核磁共振测量的分辨率、灵敏度都有了大幅提升，利用这样一套系统，研究人员已经开始进行蛋白质、病毒等方面的研究，并有望在微成像方面有所突破，获得超高分辨率的核磁共振成像。
图 5. 世界上第一个磁场达到28.2 T的1.2 GHz商业核磁共振系统，2020年在意大利佛罗伦萨大学完成首套的安装。
国内在强磁场应用方面起步则较晚，虽然在怀柔的综合极端条件装置中，物理所和电工所合作成功研制了强磁场核磁共振用户磁体，磁场强度可以达到26 T，但是均匀性和稳定性与Bruker的系统还有差别，主要还是应用于物理学的研究，还不能进行生物和化学方面的研究。目前，虽然国内已有能够提供低温超导线材，高温超导带材和超导磁体集成的公司，但是我国在全超导磁体系统的研制过程中所采用的高性能高温超导带材、高稳定度磁体电源、测控系统、大口径低温超导磁体等关键材料和设备几乎完全依赖进口，特别是在疫情之前，这些材料和设备的进口十分方便，没有受限，因此导致了国内在此方向上的积累不够充分。目前，随着国内日益的发展和自身竞争力的不断增强，我国在这方面的研发开始收到国外众多的限制，因此更需要进行更持续的投入和发展，在超高磁场核磁共振技术方面首先加速完成对世界上最先进水平的追赶，其次是研发出带有自己特色的系统，最终在人民生活和生产最需要的方面，如新材料研究、新药创制、脑成像等领域发挥作用。
推介人
周睿 中国科学院物理研究所，特聘研究员，以核磁共振(NMR)为主要的研究手段，并配合强磁场、极低温、强静水压以及单轴压力等极端条件，研究强关联电子体系的微观电性。
参考资料
1， The most powerful MRI scanner in the world delivers its first images! https://www.cea.fr/english/Pages/News/premieres-images-irm-iseult-2021.aspx
2， 【中国科学报】9.4T超高场人体磁共振成像超导磁体研制成功, https://www.cas.cn/cm/202205/t20220518_4834943.shtml
3， Successful Development of a 9.4T/800mm Whole-body MRI Superconducting Magnet at IEE CAS, IEEE CSC & ESAS SUPERCONDUCTIVITY NEWS FORUM (global edition), January 2022. https://snf.ieeecsc.org/sites/ieeecsc.org/files/documents/snf/abstracts/HP149-9.4T%20whole-body%20MRI%20superconducting%20magnet.pdf
4， P. Wikus, et al. Commercial gigahertz-class NMR magnets, Supercond. Sci. Technol. 35, 033001 (2022).
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前沿推介专栏
为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。
中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。
专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。
中国物理学会
应用物理前沿推介委员会
主 任：吴义政， 复旦大学
副主任：杨海涛，中科院物理所
一、传感与探测方向
召集人：柴国志
委 员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞
二、量子精密测量方向
召集人：荣星
委 员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为
三、新型信息载体与技术方向
召集人：黄元
委 员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星
四、微波与太赫兹物理与技术方向
召集人：孙亮
委 员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔
五、光子与光电子学方向
召集人：肖云峰
委 员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震
六、功率半导体物理与器件方向
召集人：孙钱
委 员：黄森、江洋、周弘、王俊
七、材料物理方向
召集人：于浦
委 员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨
八、低温物理与技术方向
召集人：金魁
委 员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊
九、能量转化、存储与传输方向
召集人：禹习谦
委 员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯
十、极端条件物理与技术方向
召集人：吉亮亮
委 员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚
END
设计：陈 龙
排版：陈 龙
美编：张 悦
主编：吴义政
副主编：杨海涛
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