超導核磁共振技術在航天員生命保障中的應用前景探究

王三勝 ，褚向華，易 忠, ，孟立飛, ，張 麗

（1. 北京航空航天大學 慣性技術重點實驗室，北京 100191；2. 可靠性與環境工程技術重點實驗室，北京 100094；3. 北京衛星環境工程研究所，北京 100094；4. 北京鼎臣超導科技有限公司，北京 102206）

0 前言

在長期載人航天飛行中，空間環境因素（如微重力、輻射等）會對航天員身心健康造成不利影響[1]，有必要開展航天醫學的醫監醫保研究。

由于磁共振成像（MRI）技術無放射性，是疾病檢查診斷的重要手段。盡管MRI技術在航天員生命保障方面的應用研究尚處于起步階段，但其在航天員身體影像診斷上發揮重要作用，應用前景很好[2]。

1 核磁共振成像技術

核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是指處于靜磁場中且具有磁矩的原子核吸收了相應頻率電磁波的能量后在相鄰能級間發生共振躍遷的現象。檢測核磁共振所產生的信號后經由計算機系統編碼處理，實現圖像重建，就稱為磁共振成像（Magnetic Resonance Image，MRI）。核磁共振儀包括連續波和脈沖傅里葉變換兩種類型。其中連續波的核磁共振儀已很少使用；而脈沖傅里葉變換的核磁共振儀很常見，其原理是將脈沖的射頻電信號作用于檢測物體，同時激發所需頻率范圍內所有核的共振，得到一個呈指數衰減的時間響應函數，稱做“自由感應衰減”（Free Induced Delay，FID）。通過對FID數據進行傅里葉變換得到通常的頻率譜，從中獲得有用的醫學診斷信息。

傳統的核磁共振儀主要由磁體、射頻發射器、射頻發射線圈、射頻接收器、檢測線圈、數據記錄儀、計算機和掃描發生器等組成，如圖1所示。磁體用來提供核磁共振所需的靜磁場，而靜磁場包含兩部分：均勻的主磁場和疊加在其上的梯度磁場，其中梯度磁場在成像時用來對空間信息進行編碼。在采集信號時讓檢測物體的不同斷面處在不同的磁場強度中。處于同一磁場強度斷面中的原子核對應著相同的共振頻率，即頻率與斷面建立起對應關系，因此，接收的信號頻譜在此頻率分量上的信息將只反映這一斷面的信息。射頻發射線圈用于發射射頻脈沖，激發共振。檢測線圈用于檢測核磁共振時所產生的磁場信號，接收在其中產生的“自由感應衰減”電壓信號。

圖1 傳統核磁共振儀示意圖Fig. 1 Schematic diagram of traditional NMR device

2 MRI系統在航天員生命保障中的應用探究

航天員在惡劣空間環境中出艙是一項高風險的活動，因此對航天員的選拔和訓練極為嚴格。在選拔中需要特別關注潛在的心血管疾病、貧血、糖尿病、遺傳疾病、泌尿系統血尿與結石、消化道疾病、鼻竇疾病、口腔疾病以及骨的畸形和異常鈣化等。任何潛在疾病都可能影響日后的訓練成效和增加飛行危險性[3]。選拔出合格的人員是第一步。之后，需要對入選的航天員進行嚴格的訓練，包括空間特殊環境適應性訓練、耐力訓練、心理訓練等，加強生理知識、心理知識、航天知識和航天操作技術的學習，以提高航天員對載人航天活動的正確認識。其中空間環境適應性訓練負荷較大，必須進行現場醫學監測與醫學保障服務[4-5]。

為了提高航天員選拔的質量，應采用一些高新技術檢測手段[6]。利用高新儀器設備開展航天員訓練以及執行飛行任務等過程中的醫監醫保和相關研究，以更好地確保航天員的生命安全。

MRI在臨床醫學上有著廣泛的應用[7]。如采用擴散和灌注的MRI技術可以對中樞神經系統進行研究，其中灌注MRI方法正被廣泛地用來研究人體感覺、運動、知覺等皮層功能區的反應與活動；利用水分子的擴散運動可以實現核磁共振擴散成像，用于囊實性腫瘤的鑒別、腫瘤水腫與壞死等分析以及組織溫度變化的監控，也可以用來研究神經纖維的走行方向以及髓鞘的形成過程；MRI技術在心臟疾病診斷方面尤其是對于缺血性心臟病診斷和治療有著重要的臨床價值；還被用來對血管進行成像，通過這項技術不僅能夠提供血管的解剖及其病理改變圖像，而且可顯示血流的速率和方向；此外，通過靜脈內注射順磁性造影劑還可以提高血管成像效果，最后造影劑由腎臟排出體外；MRI系統還被用在肝臟疾病診斷和關節疾病診斷方面，由于對軟組織有極佳的分辨率，能夠實施多方位掃描，而且又是非創傷性的，已成為評價關節病變的首選的、主要的方法，是軟骨損傷的最佳無創檢查方法[9]；在肝臟診斷方面，由于肝臟存在生理性的呼吸運動，對MRI系統有著更高的要求。

隨著MRI設備的快速發展，MRI數據采集速度甚至超過了CT血管造影，已得到醫學界的廣泛關注。圖 2(a)為 2003年諾貝爾醫學獎獲得者Lauterbur等人設計的磁共振成像儀的使用示意圖[8]，圖 2(b)是利用磁共振成像儀對人體進行掃描得到的圖像。

圖2 Lauterbur等人設計的磁共振成像儀使用示意圖和磁共振圖像Fig. 2 MRI device designed by Lauterbur et al and images scanned by it

在航天員的選拔和訓練中，前庭功能是重點檢查內容[10]，而利用 MRI技術可以對前庭皮質進行研究[11]，有利于取得很好的效果。

鑒于其優異的成像效果，MRI系統已被應用在航天相關研究中。1996年美國NASA在STS-78任務中使用MRI技術對活動肌肉組織進行掃描以分析其飛行前、后的變化情況，同時對航天員身體進行了掃描，以研究空間環境對人體的影響，試圖尋找解決空間飛行所造成肌肉萎縮問題的有效辦法。2008年，中國航天員科研訓練中心的賈向紅等人[12]利用MRI技術建立人體模型，估算航天員在空間所受的輻射劑量。2012年3月13日英國《每日郵報》報道，美國得克薩斯大學醫學院的研究人員對暴露在微重力環境下的27名航天員（曾在航天飛機或國際空間站上平均逗留 108 d以上）進行了MRI檢查。其中9名航天員視神經周圍腦脊髓液空間擴張，6名眼球后部變得扁平，4名視神經凸出，3名腦下垂體和與大腦連接部位發生改變[13]。顯示出MRI技術在航天員醫學診斷中獨特和重要的地位。

3 超導技術在MRI系統中的應用研究

超導技術的應用可以極大地改善MRI圖像質量，主要體現在兩個方面：一是使用超導材料制作的磁體，可為核磁共振成像提供均勻且穩定的背景和/或梯度磁場；二是使用超導材料制作的核磁共振信號檢測器件，可極大地提高測量信號的信噪比。

為了得到高質量的MRI圖像，對主磁場的均勻度和穩定性都有很高的要求。磁體主要有永磁體、電磁鐵和超導磁體 3種。永磁體的磁場是穩定的，但不能調整，因而靈活性較差。超導體由于具有高臨界電流密度 Ic特性，由它所制成的磁體與電磁鐵相比，在相同空間內產生相同磁場強度所需要的導體體積小很多，因而質量也小很多。例如，產生強度為1.592×106A/m的磁場，所需電磁鐵的質量約為3 t；而使用超導磁體，所需導體質量大約為3 kg，僅是電磁鐵質量的1/1 000[14]。另外，電磁鐵由于發熱問題導致磁場穩定性較差。而超導磁體具有磁場穩定性好、零功率損耗、易獲得高磁場強度和高均勻度等優點。目前，國產1.5T-A1型MRI超導磁體增加主動勻場措施后的均勻度優于5×10-7（30 cm DSV：指在直徑為30 cm球體范圍內），磁場的時間穩定度優于1×10-7/h[15]。因此，超導磁體成為MRI系統中最理想的選用磁體。圖3(a)為北京大學俎棟林教授設計的用于MRI的超導磁體結構示意圖[16]，圖 3(b)為日本科學家設計的MRI系統中應用的Bi系材料高溫超導磁體[17]。

圖3 用于MRI的超導磁體結構示意圖(a)和MRI系統中應用的Bi-2223高溫超導磁體(b)Fig. 3 Schematic diagram of superconducting magnet structure used for MRI(a); Bi-2223 HTS magnets used in MRI system(b)

傳統MRI系統通常使用銅制接收線圈來檢測核磁共振信號，其信噪比限制了MRI系統成像質量的改善。由于超導材料接收線圈的品質因數 Q約為銅線圈的2倍，因而使用超導材料接收線圈可以極大改善 MRI系統的信噪比及成像質量[18]。Hilbert、Freeman等人[19-20]分別于 1985年和 1986年使用超導量子干涉儀（Superconducting Quantum Interference Device，SQUID）直接對低溫下樣品的核磁共振信號進行檢測。1992年，Seton等人[21]使用 SQUID對室溫下的樣品進行了核磁共振檢測。由于SQUID具有低噪聲和高Q值的特性，可以將共振電壓信號提高 1～2個數量級；此外，SQUID響應速度快，消除了放大滯后時間，還具有較寬的調諧頻率帶。

我們知道，SQUID器件是目前商業上探測磁場精度最高的器件，可以達到10-14T（高溫超導）和10-15T（低溫超導）的弱磁探測精度，有助于提高成像質量，但由于設計制作和使用較為復雜，而且價格昂貴，因此限制了其大規模應用。2004年法國科學家 Pannetier等人[22]利用巨磁阻效應（Giant Magneto-Resistance，GMR）與超導結構相結合研制出新型的復合結構超高精度磁傳感器，見圖4所示。圖4中B是復合部分放大后的示意圖，GMR器件位于超導結構的上方。GMR效應是指器件的電阻率隨外界磁場變化而發生顯著變化的現象。具有特定尺寸的超導結構對外界磁場起到有效放大的作用，選用不同的幾何尺寸可以得到對于探測磁場不同的放大倍數[23]。將兩者結合起來對微弱磁場進行測量，可以測量到3×10-14T的微弱磁場，這已經達到高溫超導SQUID的探測精度，具有取代SQUID的極大潛力。

圖4 巨磁阻/超導復合磁傳感器示意圖Fig. 4 Schematic diagram of giant magneto-resistive and superconducting mixed sensor

圖5給出了SQUID、復合磁傳感器和諧振線圈的應用比較[24]。圖5(c)是各傳感器的靈敏度比較，其中空心圓表示 SQUID，其噪聲級別為 1.5×10-15T/(Hz1/2)；虛線表示諧振線圈；菱形表示使用500倍增益Nb超導環的復合磁傳感器；方塊表示使用500倍增益YBa2Cu3O7-x超導環的復合磁傳感器；實心圓表示使用2 000倍增益YBa2Cu3O7-x超導環的復合磁傳感器。Pannetier-Lecoeur等人[25]成功地將復合磁傳感器應用于心磁測試，并與SQUID測得的結果進行了比較，其中：圖5(a)表明復合磁傳感器件測得的心磁信號（中間）與SQUID測得的心磁信號（上方）變化趨勢相同，下方為心電信號，可以看出采用超導技術的優越性；圖 5(b)給出了測得的心磁信號（上方）和心電信號（下方）的變化，可以看出心磁測量結果和心電測量結果是吻合的；圖5(d)給出了在1 kW RF脈沖激勵下，復合磁傳感器（上方）和諧振線圈（下方）的響應曲線，可以看出復合磁傳感器沒有振鈴現象，而且恢復時間更短。

圖5 SQUID、復合磁傳感器和諧振線圈的比較Fig. 5 Comparisons among a SQUID, a mixed sensor and a resonant coil

巨磁阻/超導復合磁傳感器具有很寬的帶寬（高達10 MHz），而其靈敏度幾乎不變。在典型的NMR實驗中，往往需要施加非常強的射頻脈沖以控制核自旋。在低場NMR中，為了避免傳感器被損壞，SQUID不能使用脈沖場。而在這方面，復合磁傳感器對脈沖磁場具有更好的適應性，對 RF脈沖磁場具有很好的魯棒性，為標準脈沖核磁共振技術的應用提供了更多可能。2011年，Chollet等人[26]將這種復合傳感器用在低場MRI系統中探測共振信號，圖6是該系統測量得到的MRI圖像（右側）與實物照片（左側）的對比。

圖6 基于復合磁傳感器的MRI圖像Fig. 6 The MRI image obtained by using a mixed sensor

理論計算表明：要使復合磁傳感器達到低溫超導SQUID的探測精度，需進一步將外加磁場放大4 000倍，使超導樣品直徑達到2.5 cm[27]；而這樣做，無疑增加了系統體積和耦合因素。1994年，日本名古屋大學的Panina等人[28]首次在CoFeSiB軟磁非晶絲中發現了巨磁阻抗效應（Giant Magneto-Impedance Effect，GMI），即非晶絲在交變電流激勵下，其阻抗值隨沿著絲軸方向施加的外磁場變化而發生顯著變化。GMI元件對外磁場的探測精度比GMR元件高1～2個數量級，而GMI元件的多層膜結構制作卻比GMR的簡單得多，一般為3層的三明治結構，最多達5層。而文獻[23]中報道的 GMR元件的多層膜結構：Si/SiO2/Ta(5 nm)/Ni81Fe19(4 nm)/Co90Fe10(1.2 nm)/Cu(2.4 nm)/Co90Fe10(2.4 nm)/ Ir20Mn80(10 nm)/Ta(10 nm)，層數多達9層，這種復雜的結構實現起來需要非常精確的制作工藝參數控制和結構設計，難度很大。基于這種狀況，北京航空航天大學王三勝課題組提出采用高靈敏GMI多層膜元件代替原來的GMR元件，既可以兼顧小型化和制作上的方便可行性，又可以達到超高精度。該 GMI/超導復合磁傳感器的研究方案的探測精度預計可以達到10-15T量級。該新型傳感器研究方案得到國家自然科學基金項目（No.61171003）和北京市自然科學基金項目（No.1102024）的連續資助，并取得了重要進展[29-33]，目前傳感器的靈敏度可達到 5.65×10-3Vm/A，正積極準備開展在心磁測量MRI信號檢測方面的應用。

4 美國NASA的航天員生命保障研究計劃

2011年，NASA開始實施HRP（Human Research Program）項目，計劃2017年結束，2011年該項目獲得的資助為1.547億美元，2012預計增加300萬美元，2013年預計在2012年基礎上再增加700萬美元[34]。HRP項目旨在研究航天員在空間環境中面臨的健康風險，包括空間輻射、微重力、封閉環境等，并建立相應的對策和開發相關的技術，使航天員能安全、可靠、高效地完成空間探測任務。

HRP項目計劃將升級后的超聲波成像設備裝備到空間站中，以對航天員進行實時監護和提升國際空間站（ISS）的生命保障研究能力。項目計劃2012年10月研制出超聲治療工程樣機，并于2013年 1月完成超聲診斷/治療系統的研制。該超聲治療儀（Ultrasound 2）是新一代產品，是用現有的商業超聲設備改裝而成，但達到了航天標準。超聲診斷是用弱超聲波照射到人體上，將人體組織的反射波進行圖像化處理，以了解人體的內部情況。通過將超聲波掃描圖像傳回地球，可以使地面相關研究人員更好地了解和監視航天員的身體變化情況，從而為航天員提供更好的生命保障。

與超聲波檢查技術相比，MRI技術有更好的分辨率和更清晰的成像質量，圖7是分別使用超聲波檢測技術和核磁共振技術對乳房成像所獲得的圖片[35]。從圖7中可以看出，不僅MRI圖像更清晰，而且從MRI圖像中可以觀察出多個病灶，而超聲波圖像只顯示出一個病灶。另外，超聲波檢測技術的準確性受醫師技術水平的影響較大。當然，目前MRI系統還存在一些不足，比如設備相對龐大和成像數據量大，這限制了其在空間中的應用。隨著高溫超導技術的成熟以及新型超導復合磁傳感器的研制成功，必將有力推動MRI技術在航天員醫學診斷領域的應用，為人類的空間活動提供重要的技術保障。

圖7 左乳房乳腺癌的彩色多普勒聲像圖和 MRI圖像Fig. 7 The color Doppler sonogram and the MRI picture of the left breast cancer

5 結束語

MRI系統核心部件超導磁體和超導復合磁傳感器的獨立自主研制成功，為我國自主研制 MRI系統奠定了堅實基礎。因此，針對我國載人航天工程和深空載人探測設想，有必要對核磁共振技術在航天員生命保障中的應用開展廣泛而深入的研究。

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