审核专家：孟梦

中国科学院物理研究所副研究员

前段时间大家的手机或许都被一个新闻刷屏：国产核磁共振仪实现量产。据有关新闻报道，相关设备的价格从三千万以上降至不到三百万，降幅超过90%。

进入21世纪以来，磁场强度、磁体线性指标等不断实现突破，使核磁共振技术不再局限于实验室，逐步走向医疗领域，成为重要的现代医疗检测手段。

核磁大家都听过，也有很多人去检查的时候体验过，但核磁共振背后是怎样的原理呢？核磁共振仪器实现国产对我们有哪些利好呢？

图片来源：央视新闻

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什么是核磁共振？

为了研究物质的原子结构及其物理特性，人们通过构建强大的外部磁场使大部分原子定向分布，并施加不同波段的电磁脉冲使其在光谱上呈现出不同的信息。这种光谱学方法就是核磁共振波谱法（Nuclear Magnetic Resonance，简写为NMR）。这种方法是从原子层面接收信息，所以可以定性地分析不同物质的元素组成和结构。

来源 | 《核磁共振图谱解析》

核磁共振技术已经广泛应用于诸多领域。在化工领域，核磁共振技术可以准确探测火箭发动机装载的燃料是否有缺陷，清楚了解不同物质的分布情况；在地质勘探领域，核磁共振技术可以在短时间内了解矿区域内的地质信息或资源分布，且几乎不会产生任何影响。核磁共振技术的应用显著提高了资源勘探的效率，降低了事故发生率，缩减成本，使很多行业都更加现代化、信息化。在医疗领域，我们通常接触到的是核磁共振成像技术（MagneticResonance Imaging，简称MRI）。

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医用核磁共振的原理是怎样的？

物理学的发展，某种程度上就是物质不断细分的过程。经典物理学家认为，构成物质的最小单位是原子。在原子基础上继续深入，科学家发现其内部还可以分为更小的粒子，即质子、中子和电子。

从粒子的构成上说，中子不带电，原子核带正电，电子带负电。电子受到原子核中的质子吸引，二者所带正负电一一抵消，中子数量可能为零，所以原子整体呈现电中性。质子和中子在原子中心构成原子核，电子在外侧绕原子核运动。

另外，大家都知我们的身体中水的含量可以达到70%。一般情况下，我们用H₂O表示水分子，可以看到其中只包含一个氧原子和两个氢原子，形状上类似于卡通形象米老鼠的头。

图源 | 百度百科

其中，氢原子的原子核仅由一个质子构成。如果将质子看做一个球体，那么和宇宙天体一样，它也会以某条通过球心的直线为轴发生自转，而质子带电，带电粒子运动会产生磁场，这就形成了一个因原子核自转形成的核磁。

来源 | 《核磁共振仪介绍》

当人躺在核磁设备中时，由设备构建的相当于地磁场几万倍大小的磁场就会穿过人体，使半数以上的原子都按照一个特定方向排布。剩下不太“乖”的原子则绕该方向做进动（类似旋转的自行车轮左右摆动）。

研究表明，这种进动的频率与外部磁场大小成正比。所以，用仪器施加一个从头到脚线性变化的磁场，那么人体轴向各位置的进动频率也会出现线性变化。

如此一来，人体就仿佛一把琵琶，仪器发出不同波长的电磁脉冲就是拨弦的手指，弦因为手指的按压而变形，在手指松开后向外发出“声音”。这些“声音”经过专业设备的分析，可以得到关于人体的大量信息。

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国产核磁共振仪器如何崛起

上文提到，为了让人体内的原子“乖乖听话”，需要用设备构建一个强大的磁场，而这就需要极大的电流。

根据焦耳定律可知，一段导体的发热量与其电阻值和通过的电流大小成正比。为了在电流特别大的情况下控制发热量，必须降低导体的电阻值，这并不是一件容易的事。所以，现在普遍采取的方法是将导体置于一个温度极低（-260℃以下）的环境中。或许大家关注了有关室温超导的新闻，可以想见，这项技术如果突破，将会引发多大的产业震动。

同时，设备在低温环境连续稳定地存在，需要强大的电力供应、先进的技术以及完备的工业生产线。除此之外，一些特殊零部件也有很高的技术要求，例如核磁信号图像转换装置、控制芯片、射频信号接受发射装置等。由于基础差、起步晚，在过去很长时间内，中国核磁设备的市场始终被一些外国公司垄断。相关设备无论是采购还是维护，我们都要付出高昂的代价。

而现在，我国自主研发的核磁共振仪器已经投入使用，据北京大学深圳医院的医生表示，相较于过去使用的外国仪器，我国自主研发的仪器具有分辨率高、成像速度快等优点，最重要的是维护成本低、操作简单，费用大大降低，相信未来一定能够进一步利好广大患者。

来源 | 央视新闻

国产核磁共振仪器的崛起，与我国科研机制的创新密切相关。中国科学院深圳先进技术研究院的科研人员表示，早在立项之初，科研团队就与产业方进行密切沟通，产业需求匹配度就被设定为检验科研成果最重要的指标之一。有了中国科学长足发展作为基础，加上科研团队与产业方的不懈努力，我们才能够在包括核磁共振在内的诸多领域取得全面突破。