国产核磁共振仪器实现量产

     前段时间，央视新闻专门报道了核磁共振仪的国产现状。标题很直白：《自主研发，国产核磁共振仪器实现量产》。

我想很多人在看到这个新闻的时候都会有些疑惑：自主研发？实现量产？怎么着，难道之前这么多年耳熟能详的“核磁共振检查”，都不是在我们自家生产的仪器上做的？

其实包括在内很多做过MRI的朋友都可以看到，早年间国内医院的核磁共振仪器，尤其是高端核磁共振仪器主要来自进口，西门子、GE等公司的标志可以说是随处可见。

核磁共振扫描仪是大医院里不可或缺的医疗设备，在心脑血管、神经和肿瘤等多种重大疾病影像诊断方面起着重要作用。

这是它的优点，但缺点也很明显：在普及了那么多年后，用起来依然不便宜。

少数几百，多则上千。很多情况下还不能走医保报销！对于普通患者来说，这是一笔不小的经济压力。

之前有过医药费谈价的新闻。政府方面不停压价，不断逼近药商价格底线让民众得到最终的实惠。那么，为什么核磁共振的价格就下不来呢？

归根结底，还是被外国人卡了脖子！

一台医用核磁共振仪（MRI），外国人卖给我们的价格是几千万，且上门安装费用另付；如若出问题，再另付高昂的检修价格。有多高呢？网络上传闻时薪甚至能到万元！

没办法啊，谁叫外国企业现在依旧主导我们的MRI市场，我们没有工业量产能力，外企那肯定是死抱着自己高端MRI的超额利润不放。只有当我们这个发达国家超额利润粉碎机粉碎到他们头上，价格才能降下去。

但是话又说回来，制造一台MRI可不是我这种人上下嘴皮一碰就能解决的。毕竟Talk is cheap，实际上却需要数以百亿的资金才能攻克技术和专利壁垒难关，才能夺得市场。

不像盾构机、芯片那种看上去就很难的东西，核磁共振的难度在于你怎么样用高射炮精确发现、瞄准一只小蚊子。

一 原理

核磁共振的本质是一种原子结构尺度的量子力学现象。

当把原子核置于恒定磁场中后，其内禀自旋受磁场影响会偏向和磁场一致的方向，此时原子核具有最低的磁力势能。

这就好比树上的苹果总是受到引力的作用，当它落到地上后，引力势能降到最低。

如果对该系统加上一方向不同于恒定强磁场的射频弱磁场，且弱磁场的震荡频率与原子核的自旋能级跃迁频率一致时，原子核就会吸收电磁能量，以致自旋方向发生偏转。

此时，低能级的原子核脱离势能最低点，跃迁到了高能级。这便是核磁共振（NMR）现象。

NMR最早于1939年被美国物理学家拉比（Isidor Rabi）在做氢原子核实验时发现，而它之所以能被用于医疗成像，同样与氢有关。

氢元素广泛存在于人体组织中，特别是细胞、血液以及脂肪。在核磁共振仪的作用下，人体内的氢原子会发生共振跃迁。

撤掉射频磁场后，这些跃迁到高能级的原子会退回到低能级，同时释放出射频信号。该信号与两个因素有关——磁场强度、氢原子所处的化学环境。

化学环境指的是氢原子参与构成的元素，及其在分子结构中所处的位置。

例如，人体内水和脂肪里的氢原子就处于不同的化学环境中，它们经过核磁共振后射出的信号也就不同。

这种不同体现在一种被称为弛豫时间的物理量中。

弛豫时间有两类，一类是原子核受射频磁场作用偏转后的自旋磁矩，在射频磁场撤掉后，其纵向分量从零返回其平衡值（最大值的63%）的时间，被称为自旋-晶格弛豫（T1）；

另一类是该磁矩的横向分量失去63%的时间，被称为自旋-自旋弛豫（T2）。

从微观视角来看，弛豫过程就是原子核的磁矩以一种进动半径逐渐减小的方式旋转。

弛豫过程

磁矩变化产生的（射频）信号以一种震荡衰减的形式出现，被称为自由感应衰减。

人体内不同组织的自由感应衰减信号也不同（其实也就是T1、T2的不同）。

这一段可以通俗地理解为，射频磁场撤掉后，原子核的自旋状态会有回到原始状态的趋势就像被压缩的弹簧一样，这个回弹不是瞬间跳变，而是有一个过程。

而原子在不同的化学环境下，这个过程持续时间不同，导致过程当中释放出的电磁波的衰减信号不同，而MRI就是来探测并解码这个信号的。

据此，结合信号的编码、解码（傅里叶变换）过程，便可以利用核磁共振仪对人体内部进行成像。

不过，这还不能完全满足医疗需求。因为人体是个三维结构，但核磁共振成像只是拍了张二维的“照片”，一次全面的检查需要有多个角度、层次的“拍摄”。

如何让核磁共振仪“指哪拍哪”呢？解决办法是令恒定磁场的强度产生梯度变化。

内部的红、黄、蓝螺线管使磁场产生梯度变化

线性变化的磁场意味着不同位置的磁场强度不同，而磁场强度又能影响氢原子核的核磁共振信号，也就是前面所说的自由感应衰减信号——信号频率与磁场强度成正比——从而可以对成像区域进行空间定位。

此外，梯度强度、梯度切换速率等重要性能指标，则决定了最高分辨率、最小层厚等成像表现。

实际上，正是由于磁场梯度方案在1973年出现后，核磁共振才被提出用于医疗成像，并于4年后的1977年7月，完成了首次人体核磁共振成像MRI。

二、厚积薄发

MRI被媒体称为“尖端医疗设备皇冠上的明珠”。

没错，又是一颗“明珠”！因为在媒体眼里，只要我们造不出来，或者还没能造出来的，统统用“明珠”代指。

当然啦，调侃归调侃。但是我看这则新闻的时候有个问题我一直没明白，为什么说我国MRI是刚刚量产？

我首先考虑的就是是不是MRI里面有什么主要结构还没有能力国产？

小学二年级我们都没学过，MRI的主要结构包括极化|受测物体|内部原子核|的主磁体、用于定位扫描区域的梯度系统，以及激发核磁共振并检测所得信号的射频系统。

把人放在MRI扫描仪内后，主磁体会在需要成像的区域周围形成强磁场。接着，射频系统施加振荡磁场，引发人体内部原子核共振。

随后梯度系统改变局部的磁场性质，由此导致的信号变化可被用于确定共振区域在人体内的位置信息。

除以上核心组件之外，一台完整的MRI扫描仪上还有很多其他部件。

例如，用于校正主磁体的强磁场，使其均匀性起伏不超过百万分之几的匀场线圈；处理NMR信号并制图的计算机系统等。

在这些组件中，最核心的东西就是产生高强度磁场的部分了。

临床中使用的MRI扫描仪的磁场强度多为1.5 T或3T。这1T（特斯拉）磁场强度有多大呢？地球磁场强度才大约有0.5高斯，也就是5×10(-5)T，1T是地球磁场强度的2万倍。

所以一台MRI扫描仪产生的磁场，约有普通人日常所能感受到的磁场的3—6万倍！因此，制造出能稳定产生强磁场的磁体，是关键。

而要制造这么大强度的磁铁，就肯定不是一般的电磁铁能做到的，必须要出重拳用超导磁体。

超导磁体也是一种电磁体，只不过其线圈由超导导线绕成。由于超导体的电阻为零，因此可以通入更大的电流，产生更强、更稳定的磁场。

基于此优势，它在高端化学分析、医疗诊断及科研领域用到的精密仪器设备中大显身手。即便在可控核聚变装置托卡马克、粒子对撞机等尖端科研装置内，超导磁体也是核心组件。

欧洲大型强子对撞机

因此，最能满足MRI扫描仪需求的磁体，当然也是超导磁体。

超导磁体的优点除了磁场强度大、稳定性高外，它还能耗低。因为零电阻也就意味着不发热，没有热量损耗。

可天下没有十全十美的东西，超导磁体有一个特别麻烦的缺点，那就是想要达到超导状态，它必须被冷却到极低的温度。

1911年4月8日，荷兰物理学家昂内斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次发现了超导现象。当时他正在研究固态汞在低温下的电阻（用液氦制冷），偶然发现在4.2K（约零下269℃）的温度下，汞的电阻突然消失啦！

这种电阻消失的温度被称为临界温度。自那以后，科学家研究了超导一百多年，但在提高临界温度方面依然举步维艰。

学界对超导体划分了几个分类标准，其中一个就是按照临界温度的高低来：低于77K的是低温超导体，高于77K的是高温超导体。

用液氮冷却的高温超导体使普通磁体在上方悬浮

77K是多少温度呢？-196.2℃（液氮的沸点）！但即便是如此低的“高温”，仍未普及到产业界。这几天我们都被室温超导这事晃了一下，可惜现在没有证据表明LK-99是超导体，寻找室温超导之路依旧遥遥无期。

所以现在MRI扫描仪的超导磁体材料多采用铌钛（NbTi）或铌三锡（Nb3Sn），它们易于加工、超导性能和磁性能好，但都属于低温超导材料——临界温度在20K（-253℃）以下。

因此，每个（高端）MRI扫描仪的磁体系统内都有冷却层，里面注满温度在4k以下的液氦。

但是越研究下去，我就发现超导磁体的生产现在已经不是难事了。随着我国的发展以及包括加速器之类的需求牵引，我国的超导产业比如西部超导之类的公司已经拥有了完整的产业链。

就在今年五月，中国科学院院士、中科院电工研究所研究员王秋良团队成功研制出9.4特斯拉（T）超高场人体全身磁共振成像超导磁体。在近日召开的技术成果鉴定会上，与会专家一致认为，这项成果达到国际领先水平，打破了国外对该技术的垄断，也使我国成为首个掌握这项核心技术的亚洲国家。

9.4T超高场人体全身磁共振成像超导磁体

更高的磁场意味着更高的分辨率理论上限，与常规临床应用的1.5T和3.0T超导磁共振成像设备相比，9.4T超高场不仅磁场强，且磁共振成像各个方面具有显著优势。

例如，能获得更高信噪比、更高分辨率的检测图像；成像速度更快；可对人体内含量较低的钠（23Na）、磷（31P）、碳（13C）、氧（17O）等成分进行成像。

这样强的磁场不仅可以实现更前沿的人体代谢、脑认知科学、神经科学等领域的研究，还可用于帕金森病、阿尔茨海默病等神经退行性疾病以及恶性肿瘤的早期诊断。

而且在此之前，国际上仅有英国特斯拉工程有限公司掌握这项技术，并已在全球装机5台。美欧的科研机构利用该磁体装配的磁共振成像设备，在生物医学研究领域取得了多项突破性进展。

如今，国内科研院所和企业经过多年的技术攻关，在铌钛超导技术上已经基本成熟，既然超导不是难点，什么是难点呢？于是我把目光放向了探测仪器的整合上。

早在1946年，物理学家布洛赫（Felix Bloch）做了人类首个核磁共振活体实验。当时他将自己的手指伸入探头，获得了手指里的水的信号。

不过，那只是“小打小闹”，不足以称得上是一次真正的身体成像。

1952年，美国Varian公司推出了第一台商业化NMR核磁共振波谱仪。

强者恒强。具有先发优势的巨头们也理所当然地占领了商业市场。诸如通用电气（GE）、飞利浦、西门子以及佳能等外国品牌更是国内各大医院的常客。

在国外推出NMR核磁共振仪之后不久，我国的科研机构，如中科院长春应用化学研究所和中科院武汉物理研究所很快跟上，开始了NMR仪器的研制工作。

1964年，武汉物理研究所（现中科院精密测量院的前身之一）研制出电四极矩波谱仪和顺磁共振波谱仪。1982年开启我国研究MRI技术的课题。1984年，长春应用化学研究所研制出100 MHz的脉冲FT-NMR 波谱仪。

1992年安科公司就已经研发出0.6T的超导磁共振系统了，2014年联影公司就已经完成了我国首台完全自主知识产权的3.0TMRI了。根据联影医疗2022年年报，到2022年它的MRI设备的国内市场占有率已经达到第二，光列在公司2022年报上的MRI产品就达到了13个不同型号。

既然2014年就已经开始量产核磁共振了，那么央视这次报道的突破是啥呢？

三、突破高端

从我在金融界的朋友回馈看，国产MRI虽然之前有了很多突破，但是从实际反馈和市场定位的角度来说，我国之前量产的MRI设备还是相对低端的。

而国内医院高额采购国外的MRI设备，其实也是一种“被教育”的过程。因为不可否认的一点是，以往（甚至当前）国外MRI设备的性能就是好，成像就是快、就是清晰。

换了你是医院负责人，只要经费够，你愿不愿意买好的？

但是价格问题怎么解决呢？

而且，据统计，截至2017年，美国和德国每百万人口MRI拥有量分别为37.56台和34.49台，其他主要发达国家每百万人口MRI拥有量也多在10台以上，而中国每百万人口MRI拥有量仅为6.2台。

未来我们至少要有西方发达国家的人均MRI的拥有率，之后新增市场必然会有大量高端需求，我们把这个市场全都拱手送给外国人不可惜吗？

所以这次轮到我们再次突破高端了。

中华放射学分会传染病学组组长、北京佑安医院影像中心兼放射科主任李宏军教授在接受《人民日报》采访时候表示之前的国产核磁共振仪器：在线圈的信号采集技术不过关，只能依赖进口。这导致整个MRI系统不仅全周期寿命“价格昂贵”，而且“预定设备周期时间也长”。

同时国产MRI对于高场强磁共振系统对磁体、屏蔽系统和冷却系统等方面的技术要求更高，技术还不够完善。这次的重心主要是基于射频线圈制作、磁体国产化和新序列技术等磁共振关键技术国产化后量产的有AI进行数据分析和处理的高端MRI。

此外据央视新闻报道，这台我国自主研发的核磁共振仪器已经应用于北京大学深圳医院，它还可以将仪器工作的情况实时传输到 15 公里外的中国科学院深圳先进技术研究院进行分析。也就是说，这一次我们不光突破了硬件的高端化，还实现了软件的智能化和医疗联网治疗。

早在央视报道出来的前几个月，这款高端国产的MRI设备就已经入驻了协和医院。使用的反馈当然也满是好评。

随着我们国家这款自主研发的，拥有124项先进专利的核磁共振仪量产，高端MRI设备的价格门槛也将从3000万元下探至260万元。直接实现了价格的白菜化，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。

而我们也欣喜的看到作为高端MRI研究项目的参与方联影医疗为代表的国内企业，正凭着持续不断地投入这种挑战高端的科学研究而将进一步走到世界医疗设备价值链的高地上，为我国高端医疗器械逐步夺取国内市场，收复失地助力。

说到这，我不禁想到，医疗MRI设备的发展历程就是我国在很多高科技领域的前进缩影。往大了说有航天空间站、卫星导航，从小了看有工业软件、高端芯片。

在这些领域中，我们有的已经从跟跑实现领跑，有的则还在奋力追赶。但可以预见的是，只要我们能完成产业升级，世界上长久形成的基于不公平的超额利润但是抱残守缺的既得利益集团也将会在历史的潮流中像骑士老爷一样被冲得无影无踪。

我相信，中国的高端装备制造领域之路，一定会越走越宽！

过去几十年我们已经为降低全世界人民进入基础现代化生活的成本做出了史无前例的贡献，将来也会为世界人民降低高水平医疗成本和更高水平的福祉做出贡献。