前段時間，央視新聞專門報導了核磁共振儀的國產現狀。標題很直白：《自主研發，國產核磁共振儀器實現量產》。

我想很多人在看到這個新聞的時候都會有些疑惑：自主研發？實現量產？怎麼著，難道之前這麼多年耳熟能詳的「核磁共振檢查」，都不是在我們自家生產的儀器上做的？

其實包括在內很多做過MRI的朋友都可以看到，早年間國內醫院的核磁共振儀器，尤其是高端核磁共振儀器主要來自進口，西門子、GE等公司的標誌可以說是隨處可見。

核磁共振掃描儀是大醫院裡不可或缺的醫療設備，在心腦血管、神經和腫瘤等多種重大疾病影像診斷方面起著重要作用。

這是它的優點，但缺點也很明顯：在普及了那麼多年後，用起來依然不便宜。

少數幾百，多則上千。很多情況下還不能走醫保報銷！對於普通患者來說，這是一筆不小的經濟壓力。

之前有過醫藥費談價的新聞。政府方面不停壓價，不斷逼近藥商價格底線讓民眾得到最終的實惠。那麼，為什麼核磁共振的價格就下不來呢？

歸根結底，還是被外國人卡了脖子！

一台醫用核磁共振儀（MRI），外國人賣給我們的價格是幾千萬，且上門安裝費用另付；如若出問題，再另付高昂的檢修價格。有多高呢？網絡上傳聞時薪甚至能到萬元！

沒辦法啊，誰叫外國企業現在依舊主導我們的MRI市場，我們沒有工業量產能力，外企那肯定是死抱著自己高端MRI的超額利潤不放。只有當我們這個發達國家超額利潤粉碎機粉碎到他們頭上，價格才能降下去。

但是話又說回來，製造一台MRI可不是我這種人上下嘴皮一碰就能解決的。畢竟Talk is cheap，實際上卻需要數以百億的資金才能攻克技術和專利壁壘難關，才能奪得市場。

不像盾構機、晶片那種看上去就很難的東西，核磁共振的難度在於你怎麼樣用高射炮精確發現、瞄準一隻小蚊子。

一 原理

核磁共振的本質是一種原子結構尺度的量子力學現象。

當把原子核置於恆定磁場中後，其內稟自旋受磁場影響會偏向和磁場一致的方向，此時原子核具有最低的磁力勢能。

這就好比樹上的蘋果總是受到引力的作用，當它落到地上後，引力勢能降到最低。

如果對該系統加上一方向不同於恆定強磁場的射頻弱磁場，且弱磁場的震盪頻率與原子核的自旋能級躍遷頻率一致時，原子核就會吸收電磁能量，以致自旋方向發生偏轉。

此時，低能級的原子核脫離勢能最低點，躍遷到了高能級。這便是核磁共振（NMR）現象。

NMR最早於1939年被美國物理學家拉比（Isidor Rabi）在做氫原子核實驗時發現，而它之所以能被用於醫療成像，同樣與氫有關。

氫元素廣泛存在於人體組織中，特別是細胞、血液以及脂肪。在核磁共振儀的作用下，人體內的氫原子會發生共振躍遷。

撤掉射頻磁場後，這些躍遷到高能級的原子會退回到低能級，同時釋放出射頻信號。該信號與兩個因素有關——磁場強度、氫原子所處的化學環境。

化學環境指的是氫原子參與構成的元素，及其在分子結構中所處的位置。

例如，人體內水和脂肪里的氫原子就處於不同的化學環境中，它們經過核磁共振後射出的信號也就不同。




這種不同體現在一種被稱為弛豫時間的物理量中。

弛豫時間有兩類，一類是原子核受射頻磁場作用偏轉後的自旋磁矩，在射頻磁場撤掉後，其縱向分量從零返回其平衡值（最大值的63%）的時間，被稱為自旋-晶格弛豫（T1）；


另一類是該磁矩的橫向分量失去63%的時間，被稱為自旋-自旋弛豫（T2）。

從微觀視角來看，弛豫過程就是原子核的磁矩以一種進動半徑逐漸減小的方式旋轉。

弛豫過程

磁矩變化產生的（射頻）信號以一種震盪衰減的形式出現，被稱為自由感應衰減。

人體內不同組織的自由感應衰減信號也不同（其實也就是T1、T2的不同）。

這一段可以通俗地理解為，射頻磁場撤掉後，原子核的自旋狀態會有回到原始狀態的趨勢就像被壓縮的彈簧一樣，這個回彈不是瞬間跳變，而是有一個過程。

而原子在不同的化學環境下，這個過程持續時間不同，導致過程當中釋放出的電磁波的衰減信號不同，而MRI就是來探測並解碼這個信號的。

據此，結合信號的編碼、解碼（傅立葉變換）過程，便可以利用核磁共振儀對人體內部進行成像。

不過，這還不能完全滿足醫療需求。因為人體是個三維結構，但核磁共振成像只是拍了張二維的「照片」，一次全面的檢查需要有多個角度、層次的「拍攝」。

如何讓核磁共振儀「指哪拍哪」呢？解決辦法是令恆定磁場的強度產生梯度變化。

內部的紅、黃、藍螺線管使磁場產生梯度變化

線性變化的磁場意味著不同位置的磁場強度不同，而磁場強度又能影響氫原子核的核磁共振信號，也就是前面所說的自由感應衰減信號——信號頻率與磁場強度成正比——從而可以對成像區域進行空間定位。

此外，梯度強度、梯度切換速率等重要性能指標，則決定了最高解析度、最小層厚等成像表現。

實際上，正是由於磁場梯度方案在1973年出現後，核磁共振才被提出用於醫療成像，並於4年後的1977年7月，完成了首次人體核磁共振成像MRI。

二、厚積薄發

MRI被媒體稱為「尖端醫療設備皇冠上的明珠」。

沒錯，又是一顆「明珠」！因為在媒體眼裡，只要我們造不出來，或者還沒能造出來的，統統用「明珠」代指。

當然啦，調侃歸調侃。但是我看這則新聞的時候有個問題我一直沒明白，為什麼說我國MRI是剛剛量產？

我首先考慮的就是是不是MRI裡面有什麼主要結構還沒有能力國產？

小學二年級我們都沒學過，MRI的主要結構包括極化|受測物體|內部原子核|的主磁體、用於定位掃描區域的梯度系統，以及激發核磁共振並檢測所得信號的射頻系統。


把人放在MRI掃描儀內後，主磁體會在需要成像的區域周圍形成強磁場。接著，射頻系統施加振盪磁場，引發人體內部原子核共振。

隨後梯度系統改變局部的磁場性質，由此導致的信號變化可被用於確定共振區域在人體內的位置信息。

除以上核心組件之外，一台完整的MRI掃描儀上還有很多其他部件。

例如，用於校正主磁體的強磁場，使其均勻性起伏不超過百萬分之幾的勻場線圈；處理NMR信號並製圖的計算機系統等。

在這些組件中，最核心的東西就是產生高強度磁場的部分了。

臨床中使用的MRI掃描儀的磁場強度多為1.5 T或3T。這1T（特斯拉）磁場強度有多大呢？地球磁場強度才大約有0.5高斯，也就是5×10(-5)T，1T是地球磁場強度的2萬倍。


所以一台MRI掃描儀產生的磁場，約有普通人日常所能感受到的磁場的3—6萬倍！因此，製造出能穩定產生強磁場的磁體，是關鍵。


而要製造這麼大強度的磁鐵，就肯定不是一般的電磁鐵能做到的，必須要出重拳用超導磁體。

超導磁體也是一種電磁體，只不過其線圈由超導導線繞成。由於超導體的電阻為零，因此可以通入更大的電流，產生更強、更穩定的磁場。

基於此優勢，它在高端化學分析、醫療診斷及科研領域用到的精密儀器設備中大顯身手。即便在可控核聚變裝置托卡馬克、粒子對撞機等尖端科研裝置內，超導磁體也是核心組件。

歐洲大型強子對撞機


因此，最能滿足MRI掃描儀需求的磁體，當然也是超導磁體。

超導磁體的優點除了磁場強度大、穩定性高外，它還能耗低。因為零電阻也就意味著不發熱，沒有熱量損耗。

可天下沒有十全十美的東西，超導磁體有一個特別麻煩的缺點，那就是想要達到超導狀態，它必須被冷卻到極低的溫度。

1911年4月8日，荷蘭物理學家昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）首次發現了超導現象。當時他正在研究固態汞在低溫下的電阻（用液氦製冷），偶然發現在4.2K（約零下269℃）的溫度下，汞的電阻突然消失啦！

這種電阻消失的溫度被稱為臨界溫度。自那以後，科學家研究了超導一百多年，但在提高臨界溫度方面依然舉步維艱。

學界對超導體劃分了幾個分類標準，其中一個就是按照臨界溫度的高低來：低於77K的是低溫超導體，高於77K的是高溫超導體。

用液氮冷卻的高溫超導體使普通磁體在上方懸浮

77K是多少溫度呢？-196.2℃（液氮的沸點）！但即便是如此低的「高溫」，仍未普及到產業界。這幾天我們都被室溫超導這事晃了一下，可惜現在沒有證據表明LK-99是超導體，尋找室溫超導之路依舊遙遙無期。

所以現在MRI掃描儀的超導磁體材料多採用鈮鈦（NbTi）或鈮三錫（Nb3Sn），它們易於加工、超導性能和磁性能好，但都屬於低溫超導材料——臨界溫度在20K（-253℃）以下。

因此，每個（高端）MRI掃描儀的磁體系統內都有冷卻層，裡面注滿溫度在4k以下的液氦。

但是越研究下去，我就發現超導磁體的生產現在已經不是難事了。隨著我國的發展以及包括加速器之類的需求牽引，我國的超導產業比如西部超導之類的公司已經擁有了完整的產業鏈。

就在今年五月，中國科學院院士、中科院電工研究所研究員王秋良團隊成功研製出9.4特斯拉（T）超高場人體全身磁共振成像超導磁體。在近日召開的技術成果鑑定會上，與會專家一致認為，這項成果達到國際領先水平，打破了國外對該技術的壟斷，也使我國成為首個掌握這項核心技術的亞洲國家。

9.4T超高場人體全身磁共振成像超導磁體


更高的磁場意味著更高的解析度理論上限，與常規臨床應用的1.5T和3.0T超導磁共振成像設備相比，9.4T超高場不僅磁場強，且磁共振成像各個方面具有顯著優勢。


例如，能獲得更高信噪比、更高解析度的檢測圖像；成像速度更快；可對人體內含量較低的鈉（23Na）、磷（31P）、碳（13C）、氧（17O）等成分進行成像。

這樣強的磁場不僅可以實現更前沿的人體代謝、腦認知科學、神經科學等領域的研究，還可用於帕金森病、阿爾茨海默病等神經退行性疾病以及惡性腫瘤的早期診斷。

而且在此之前，國際上僅有英國特斯拉工程有限公司掌握這項技術，並已在全球裝機5台。美歐的科研機構利用該磁體裝配的磁共振成像設備，在生物醫學研究領域取得了多項突破性進展。

如今，國內科研院所和企業經過多年的技術攻關，在鈮鈦超導技術上已經基本成熟，既然超導不是難點，什麼是難點呢？於是我把目光放向了探測儀器的整合上。

早在1946年，物理學家布洛赫（Felix Bloch）做了人類首個核磁共振活體實驗。當時他將自己的手指伸入探頭，獲得了手指里的水的信號。

不過，那只是「小打小鬧」，不足以稱得上是一次真正的身體成像。

1952年，美國Varian公司推出了第一台商業化NMR核磁共振波譜儀。

強者恆強。具有先發優勢的巨頭們也理所當然地占領了商業市場。諸如通用電氣（GE）、飛利浦、西門子以及佳能等外國品牌更是國內各大醫院的常客。

在國外推出NMR核磁共振儀之後不久，我國的科研機構，如中科院長春應用化學研究所和中科院武漢物理研究所很快跟上，開始了NMR儀器的研製工作。

1964年，武漢物理研究所（現中科院精密測量院的前身之一）研製出電四極矩波譜儀和順磁共振波譜儀。1982年開啟我國研究MRI技術的課題。1984年，長春應用化學研究所研製出100 MHz的脈衝FT-NMR 波譜儀。

1992年安科公司就已經研發出0.6T的超導磁共振系統了，2014年聯影公司就已經完成了我國首台完全自主智慧財產權的3.0TMRI了。根據聯影醫療2022年年報，到2022年它的MRI設備的國內市場占有率已經達到第二，光列在公司2022年報上的MRI產品就達到了13個不同型號。

既然2014年就已經開始量產核磁共振了，那麼央視這次報導的突破是啥呢？

三、突破高端

從我在金融界的朋友回饋看，國產MRI雖然之前有了很多突破，但是從實際反饋和市場定位的角度來說，我國之前量產的MRI設備還是相對低端的。

而國內醫院高額採購國外的MRI設備，其實也是一種「被教育」的過程。因為不可否認的一點是，以往（甚至當前）國外MRI設備的性能就是好，成像就是快、就是清晰。

換了你是醫院負責人，只要經費夠，你願不願意買好的？

但是價格問題怎麼解決呢？

而且，據統計，截至2017年，美國和德國每百萬人口MRI擁有量分別為37.56台和34.49台，其他主要發達國家每百萬人口MRI擁有量也多在10台以上，而中國每百萬人口MRI擁有量僅為6.2台。

未來我們至少要有西方發達國家的人均MRI的擁有率，之後新增市場必然會有大量高端需求，我們把這個市場全都拱手送給外國人不可惜嗎？

所以這次輪到我們再次突破高端了。

中華放射學分會傳染病學組組長、北京佑安醫院影像中心兼放射科主任李宏軍教授在接受《人民日報》採訪時候表示之前的國產核磁共振儀器：在線圈的信號採集技術不過關，只能依賴進口。這導致整個MRI系統不僅全周期壽命「價格昂貴」，而且「預定設備周期時間也長」。

同時國產MRI對於高場強磁共振系統對磁體、屏蔽系統和冷卻系統等方面的技術要求更高，技術還不夠完善。這次的重心主要是基於射頻線圈製作、磁體國產化和新序列技術等磁共振關鍵技術國產化後量產的有AI進行數據分析和處理的高端MRI。

此外據央視新聞報導，這台我國自主研發的核磁共振儀器已經應用於北京大學深圳醫院，它還可以將儀器工作的情況實時傳輸到 15 公里外的中國科學院深圳先進技術研究院進行分析。也就是說，這一次我們不光突破了硬體的高端化，還實現了軟體的智能化和醫療聯網治療。

早在央視報導出來的前幾個月，這款高端國產的MRI設備就已經入駐了協和醫院。使用的反饋當然也滿是好評。

隨著我們國家這款自主研發的，擁有124項先進專利的核磁共振儀量產，高端MRI設備的價格門檻也將從3000萬元下探至260萬元。直接實現了價格的白菜化，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。

而我們也欣喜的看到作為高端MRI研究項目的參與方聯影醫療為代表的國內企業，正憑著持續不斷地投入這種挑戰高端的科學研究而將進一步走到世界醫療設備價值鏈的高地上，為我國高端醫療器械逐步奪取國內市場，收復失地助力。

說到這，我不禁想到，醫療MRI設備的發展歷程就是我國在很多高科技領域的前進縮影。往大了說有航天空間站、衛星導航，從小了看有工業軟體、高端晶片。

在這些領域中，我們有的已經從跟跑實現領跑，有的則還在奮力追趕。但可以預見的是，只要我們能完成產業升級，世界上長久形成的基於不公平的超額利潤但是抱殘守缺的既得利益集團也將會在歷史的潮流中像騎士老爺一樣被沖得無影無蹤。

我相信，中國的高端裝備製造領域之路，一定會越走越寬！

過去幾十年我們已經為降低全世界人民進入基礎現代化生活的成本做出了史無前例的貢獻，將來也會為世界人民降低高水平醫療成本和更高水平的福祉做出貢獻。

參考文獻：

國產核磁共振儀量產 科研「精準施力」產研融合摘得「明珠」, https://baijiahao.baidu.com/s?id=1772103675628092844&wfr=spider&for=pc

國產核磁共振儀器開始量產，進口壟斷格局將打破, https://m.baidu.com/bh/m/detail/ar_8705710357187743051

2021年中國MRI設備行業研究報告，https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202201211541673505_1.pdf?1642756978000.pdf

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Nuclear magnetic resonance, https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_magnetic_resonance

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劉蓮花,蔣濱,陳代謝等.超導磁共振儀器設備國產化現狀及挑戰[J].波譜學雜誌,2022,39(03):345-355.

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朱自安.超導MRI:從技術到產業化[J].高科技與產業化,2013,No.211(12):64-67.

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