王三勝 ,褚向華,易 忠, ,孟立飛, ,張 麗
(1. 北京航空航天大學(xué) 慣性技術(shù)重點實驗室,北京 100191;2. 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點實驗室,北京 100094;3. 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,北京 100094;4. 北京鼎臣超導(dǎo)科技有限公司,北京 102206)
在長期載人航天飛行中,空間環(huán)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(yī)學(xué)的醫(yī)監(jiān)醫(yī)保研究。
由于磁共振成像(MRI)技術(shù)無放射性,是疾病檢查診斷的重要手段。盡管MRI技術(shù)在航天員生命保障方面的應(yīng)用研究尚處于起步階段,但其在航天員身體影像診斷上發(fā)揮重要作用,應(yīng)用前景很好[2]。
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(yīng)頻率電磁波的能量后在相鄰能級間發(fā)生共振躍遷的現(xiàn)象。檢測核磁共振所產(chǎn)生的信號后經(jīng)由計算機系統(tǒng)編碼處理,實現(xiàn)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(xù)波和脈沖傅里葉變換兩種類型。其中連續(xù)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(fā)所需頻率范圍內(nèi)所有核的共振,得到一個呈指數(shù)衰減的時間響應(yīng)函數(shù),稱做“自由感應(yīng)衰減”(Free Induced Delay,F(xiàn)ID)。通過對FID數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換得到通常的頻率譜,從中獲得有用的醫(yī)學(xué)診斷信息。
傳統(tǒng)的核磁共振儀主要由磁體、射頻發(fā)射器、射頻發(fā)射線圈、射頻接收器、檢測線圈、數(shù)據(jù)記錄儀、計算機和掃描發(fā)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(jìn)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(yīng)著相同的共振頻率,即頻率與斷面建立起對應(yīng)關(guān)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(fā)射線圈用于發(fā)射射頻脈沖,激發(fā)共振。檢測線圈用于檢測核磁共振時所產(chǎn)生的磁場信號,接收在其中產(chǎn)生的“自由感應(yīng)衰減”電壓信號。
圖1 傳統(tǒng)核磁共振儀示意圖Fig. 1 Schematic diagram of traditional NMR device
航天員在惡劣空間環(huán)境中出艙是一項高風(fēng)險的活動,因此對航天員的選拔和訓(xùn)練極為嚴(yán)格。在選拔中需要特別關(guān)注潛在的心血管疾病、貧血、糖尿病、遺傳疾病、泌尿系統(tǒng)血尿與結(jié)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(xùn)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(jìn)行嚴(yán)格的訓(xùn)練,包括空間特殊環(huán)境適應(yīng)性訓(xùn)練、耐力訓(xùn)練、心理訓(xùn)練等,加強生理知識、心理知識、航天知識和航天操作技術(shù)的學(xué)習(xí),以提高航天員對載人航天活動的正確認(rèn)識。其中空間環(huán)境適應(yīng)性訓(xùn)練負(fù)荷較大,必須進(jìn)行現(xiàn)場醫(yī)學(xué)監(jiān)測與醫(yī)學(xué)保障服務(wù)[4-5]。
為了提高航天員選拔的質(zhì)量,應(yīng)采用一些高新技術(shù)檢測手段[6]。利用高新儀器設(shè)備開展航天員訓(xùn)練以及執(zhí)行飛行任務(wù)等過程中的醫(yī)監(jiān)醫(yī)保和相關(guān)研究,以更好地確保航天員的生命安全。
MRI在臨床醫(yī)學(xué)上有著廣泛的應(yīng)用[7]。如采用擴散和灌注的MRI技術(shù)可以對中樞神經(jīng)系統(tǒng)進(jìn)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(qū)的反應(yīng)與活動;利用水分子的擴散運動可以實現(xiàn)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(jiān)控,也可以用來研究神經(jīng)纖維的走行方向以及髓鞘的形成過程;MRI技術(shù)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(jìn)行成像,通過這項技術(shù)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(nèi)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(tǒng)還被用在肝臟疾病診斷和關(guān)節(jié)疾病診斷方面,由于對軟組織有極佳的分辨率,能夠?qū)嵤┒喾轿粧呙?,而且又是非?chuàng)傷性的,已成為評價關(guān)節(jié)病變的首選的、主要的方法,是軟骨損傷的最佳無創(chuàng)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(tǒng)有著更高的要求。
隨著MRI設(shè)備的快速發(fā)展,MRI數(shù)據(jù)采集速度甚至超過了CT血管造影,已得到醫(yī)學(xué)界的廣泛關(guān)注。圖 2(a)為 2003年諾貝爾醫(yī)學(xué)獎獲得者Lauterbur等人設(shè)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(jìn)行掃描得到的圖像。
圖2 Lauterbur等人設(shè)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(xùn)練中,前庭功能是重點檢查內(nèi)容[10],而利用 MRI技術(shù)可以對前庭皮質(zhì)進(jìn)行研究[11],有利于取得很好的效果。
鑒于其優(yōu)異的成像效果,MRI系統(tǒng)已被應(yīng)用在航天相關(guān)研究中。1996年美國NASA在STS-78任務(wù)中使用MRI技術(shù)對活動肌肉組織進(jìn)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(jìn)行了掃描,以研究空間環(huán)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(xùn)練中心的賈向紅等人[12]利用MRI技術(shù)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(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員對暴露在微重力環(huán)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(jìn)行了MRI檢查。其中9名航天員視神經(jīng)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(jīng)凸出,3名腦下垂體和與大腦連接部位發(fā)生改變[13]。顯示出MRI技術(shù)在航天員醫(yī)學(xué)診斷中獨特和重要的地位。
超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用可以極大地改善MRI圖像質(zhì)量,主要體現(xiàn)在兩個方面:一是使用超導(dǎo)材料制作的磁體,可為核磁共振成像提供均勻且穩(wěn)定的背景和/或梯度磁場;二是使用超導(dǎo)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(zhì)量的MRI圖像,對主磁場的均勻度和穩(wěn)定性都有很高的要求。磁體主要有永磁體、電磁鐵和超導(dǎo)磁體 3種。永磁體的磁場是穩(wěn)定的,但不能調(diào)整,因而靈活性較差。超導(dǎo)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(nèi)產(chǎn)生相同磁場強度所需要的導(dǎo)體體積小很多,因而質(zhì)量也小很多。例如,產(chǎn)生強度為1.592×106A/m的磁場,所需電磁鐵的質(zhì)量約為3 t;而使用超導(dǎo)磁體,所需導(dǎo)體質(zhì)量大約為3 kg,僅是電磁鐵質(zhì)量的1/1 000[14]。另外,電磁鐵由于發(fā)熱問題導(dǎo)致磁場穩(wěn)定性較差。而超導(dǎo)磁體具有磁場穩(wěn)定性好、零功率損耗、易獲得高磁場強度和高均勻度等優(yōu)點。目前,國產(chǎn)1.5T-A1型MRI超導(dǎo)磁體增加主動勻場措施后的均勻度優(yōu)于5×10-7(30 cm DSV:指在直徑為30 cm球體范圍內(nèi)),磁場的時間穩(wěn)定度優(yōu)于1×10-7/h[15]。因此,超導(dǎo)磁體成為MRI系統(tǒng)中最理想的選用磁體。圖3(a)為北京大學(xué)俎棟林教授設(shè)計的用于MRI的超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)示意圖[16],圖 3(b)為日本科學(xué)家設(shè)計的MRI系統(tǒng)中應(yīng)用的Bi系材料高溫超導(dǎo)磁體[17]。
圖3 用于MRI的超導(dǎo)磁體結(jié)構(gòu)示意圖(a)和MRI系統(tǒng)中應(yīng)用的Bi-2223高溫超導(dǎo)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(tǒng)MRI系統(tǒng)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(tǒng)成像質(zhì)量的改善。由于超導(dǎo)材料接收線圈的品質(zhì)因數(shù) Q約為銅線圈的2倍,因而使用超導(dǎo)材料接收線圈可以極大改善 MRI系統(tǒng)的信噪比及成像質(zhì)量[18]。Hilbert、Freeman等人[19-20]分別于 1985年和 1986年使用超導(dǎo)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(jìn)行檢測。1992年,Seton等人[21]使用 SQUID對室溫下的樣品進(jìn)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(shù)量級;此外,SQUID響應(yīng)速度快,消除了放大滯后時間,還具有較寬的調(diào)諧頻率帶。
我們知道,SQUID器件是目前商業(yè)上探測磁場精度最高的器件,可以達(dá)到10-14T(高溫超導(dǎo))和10-15T(低溫超導(dǎo))的弱磁探測精度,有助于提高成像質(zhì)量,但由于設(shè)計制作和使用較為復(fù)雜,而且價格昂貴,因此限制了其大規(guī)模應(yīng)用。2004年法國科學(xué)家 Pannetier等人[22]利用巨磁阻效應(yīng)(Giant Magneto-Resistance,GMR)與超導(dǎo)結(jié)構(gòu)相結(jié)合研制出新型的復(fù)合結(jié)構(gòu)超高精度磁傳感器,見圖4所示。圖4中B是復(fù)合部分放大后的示意圖,GMR器件位于超導(dǎo)結(jié)構(gòu)的上方。GMR效應(yīng)是指器件的電阻率隨外界磁場變化而發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象。具有特定尺寸的超導(dǎo)結(jié)構(gòu)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(shù)[23]。將兩者結(jié)合起來對微弱磁場進(jìn)行測量,可以測量到3×10-14T的微弱磁場,這已經(jīng)達(dá)到高溫超導(dǎo)SQUID的探測精度,具有取代SQUID的極大潛力。
圖4 巨磁阻/超導(dǎo)復(fù)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(fù)合磁傳感器和諧振線圈的應(yīng)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(dǎo)環(huán)的復(fù)合磁傳感器;方塊表示使用500倍增益YBa2Cu3O7-x超導(dǎo)環(huán)的復(fù)合磁傳感器;實心圓表示使用2 000倍增益YBa2Cu3O7-x超導(dǎo)環(huán)的復(fù)合磁傳感器。Pannetier-Lecoeur等人[25]成功地將復(fù)合磁傳感器應(yīng)用于心磁測試,并與SQUID測得的結(jié)果進(jìn)行了比較,其中:圖5(a)表明復(fù)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(dǎo)技術(shù)的優(yōu)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(jié)果和心電測量結(jié)果是吻合的;圖5(d)給出了在1 kW RF脈沖激勵下,復(fù)合磁傳感器(上方)和諧振線圈(下方)的響應(yīng)曲線,可以看出復(fù)合磁傳感器沒有振鈴現(xiàn)象,而且恢復(fù)時間更短。
圖5 SQUID、復(fù)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(dǎo)復(fù)合磁傳感器具有很寬的帶寬(高達(dá)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(fù)合磁傳感器對脈沖磁場具有更好的適應(yīng)性,對 RF脈沖磁場具有很好的魯棒性,為標(biāo)準(zhǔn)脈沖核磁共振技術(shù)的應(yīng)用提供了更多可能。2011年,Chollet等人[26]將這種復(fù)合傳感器用在低場MRI系統(tǒng)中探測共振信號,圖6是該系統(tǒng)測量得到的MRI圖像(右側(cè))與實物照片(左側(cè))的對比。
圖6 基于復(fù)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(fù)合磁傳感器達(dá)到低溫超導(dǎo)SQUID的探測精度,需進(jìn)一步將外加磁場放大4 000倍,使超導(dǎo)樣品直徑達(dá)到2.5 cm[27];而這樣做,無疑增加了系統(tǒng)體積和耦合因素。1994年,日本名古屋大學(xué)的Panina等人[28]首次在CoFeSiB軟磁非晶絲中發(fā)現(xiàn)了巨磁阻抗效應(yīng)(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(fā)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(shù)量級,而GMI元件的多層膜結(jié)構(gòu)制作卻比GMR的簡單得多,一般為3層的三明治結(jié)構(gòu),最多達(dá)5層。而文獻(xiàn)[23]中報道的 GMR元件的多層膜結(jié)構(gòu):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(shù)多達(dá)9層,這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)起來需要非常精確的制作工藝參數(shù)控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計,難度很大。基于這種狀況,北京航空航天大學(xué)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(dá)到超高精度。該 GMI/超導(dǎo)復(fù)合磁傳感器的研究方案的探測精度預(yù)計可以達(dá)到10-15T量級。該新型傳感器研究方案得到國家自然科學(xué)基金項目(No.61171003)和北京市自然科學(xué)基金項目(No.1102024)的連續(xù)資助,并取得了重要進(jìn)展[29-33],目前傳感器的靈敏度可達(dá)到 5.65×10-3Vm/A,正積極準(zhǔn)備開展在心磁測量MRI信號檢測方面的應(yīng)用。
2011年,NASA開始實施HRP(Human Research Program)項目,計劃2017年結(jié)束,2011年該項目獲得的資助為1.547億美元,2012預(yù)計增加300萬美元,2013年預(yù)計在2012年基礎(chǔ)上再增加700萬美元[34]。HRP項目旨在研究航天員在空間環(huán)境中面臨的健康風(fēng)險,包括空間輻射、微重力、封閉環(huán)境等,并建立相應(yīng)的對策和開發(fā)相關(guān)的技術(shù),使航天員能安全、可靠、高效地完成空間探測任務(wù)。
HRP項目計劃將升級后的超聲波成像設(shè)備裝備到空間站中,以對航天員進(jìn)行實時監(jiān)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(tǒng)的研制。該超聲治療儀(Ultrasound 2)是新一代產(chǎn)品,是用現(xiàn)有的商業(yè)超聲設(shè)備改裝而成,但達(dá)到了航天標(biāo)準(zhǔn)。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(jìn)行圖像化處理,以了解人體的內(nèi)部情況。通過將超聲波掃描圖像傳回地球,可以使地面相關(guān)研究人員更好地了解和監(jiān)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(shù)相比,MRI技術(shù)有更好的分辨率和更清晰的成像質(zhì)量,圖7是分別使用超聲波檢測技術(shù)和核磁共振技術(shù)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(shù)的準(zhǔn)確性受醫(yī)師技術(shù)水平的影響較大。當(dāng)然,目前MRI系統(tǒng)還存在一些不足,比如設(shè)備相對龐大和成像數(shù)據(jù)量大,這限制了其在空間中的應(yīng)用。隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的成熟以及新型超導(dǎo)復(fù)合磁傳感器的研制成功,必將有力推動MRI技術(shù)在航天員醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的應(yīng)用,為人類的空間活動提供重要的技術(shù)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
MRI系統(tǒng)核心部件超導(dǎo)磁體和超導(dǎo)復(fù)合磁傳感器的獨立自主研制成功,為我國自主研制 MRI系統(tǒng)奠定了堅實基礎(chǔ)。因此,針對我國載人航天工程和深空載人探測設(shè)想,有必要對核磁共振技術(shù)在航天員生命保障中的應(yīng)用開展廣泛而深入的研究。
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