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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100191;2. 可靠性與環(huán)境工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)期載人航天飛行中,空間環(huán)境因素(如微重力、輻射等)會(huì)對(duì)航天員身心健康造成不利影響[1],有必要開(kāi)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(wú)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(chǎng)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(jí)間發(fā)生共振躍遷的現(xiàn)象。檢測(cè)核磁共振所產(chǎn)生的信號(hào)后經(jīng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)編碼處理,實(shí)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(lèi)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(jiàn),其原理是將脈沖的射頻電信號(hào)作用于檢測(cè)物體,同時(shí)激發(fā)所需頻率范圍內(nèi)所有核的共振,得到一個(gè)呈指數(shù)衰減的時(shí)間響應(yīng)函數(shù),稱做“自由感應(yīng)衰減”(Free Induced Delay,F(xiàn)ID)。通過(guò)對(duì)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(cè)線圈、數(shù)據(jù)記錄儀、計(jì)算機(jī)和掃描發(fā)生器等組成,如圖1所示。磁體用來(lái)提供核磁共振所需的靜磁場(chǎng),而靜磁場(chǎng)包含兩部分:均勻的主磁場(chǎng)和疊加在其上的梯度磁場(chǎng),其中梯度磁場(chǎng)在成像時(shí)用來(lái)對(duì)空間信息進(jìn)行編碼。在采集信號(hào)時(shí)讓檢測(cè)物體的不同斷面處在不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度中。處于同一磁場(chǎng)強(qiáng)度斷面中的原子核對(duì)應(yīng)著相同的共振頻率,即頻率與斷面建立起對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此,接收的信號(hào)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(cè)線圈用于檢測(cè)核磁共振時(shí)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào),接收在其中產(chǎn)生的“自由感應(yīng)衰減”電壓信號(hào)。
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(xiàng)高風(fēng)險(xiǎn)的活動(dòng),因此對(duì)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(xiǎn)性[3]。選拔出合格的人員是第一步。之后,需要對(duì)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(qiáng)生理知識(shí)、心理知識(shí)、航天知識(shí)和航天操作技術(shù)的學(xué)習(xí),以提高航天員對(duì)載人航天活動(dòng)的正確認(rèn)識(shí)。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(chǎng)醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)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(cè)手段[6]。利用高新儀器設(shè)備開(kāi)展航天員訓(xùn)練以及執(zhí)行飛行任務(wù)等過(guò)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(kuò)散和灌注的MRI技術(shù)可以對(duì)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(lái)研究人體感覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、知覺(jué)等皮層功能區(qū)的反應(yīng)與活動(dòng);利用水分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)核磁共振擴(kuò)散成像,用于囊實(shí)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(lái)研究神經(jīng)纖維的走行方向以及髓鞘的形成過(guò)程;MRI技術(shù)在心臟疾病診斷方面尤其是對(duì)于缺血性心臟病診斷和治療有著重要的臨床價(jià)值;還被用來(lái)對(duì)血管進(jìn)行成像,通過(guò)這項(xiàng)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(guò)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(duì)軟組織有極佳的分辨率,能夠?qū)嵤┒喾轿粧呙瑁矣质欠莿?chuàng)傷性的,已成為評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)病變的首選的、主要的方法,是軟骨損傷的最佳無(wú)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(yùn)動(dòng),對(duì)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(guò)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(jiǎng)獲得者Lauterbur等人設(shè)計(jì)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(duì)人體進(jìn)行掃描得到的圖像。
圖2 Lauterbur等人設(shè)計(jì)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(diǎn)檢查內(nèi)容[10],而利用 MRI技術(shù)可以對(duì)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(guó)NASA在STS-78任務(wù)中使用MRI技術(shù)對(duì)活動(dòng)肌肉組織進(jìn)行掃描以分析其飛行前、后的變化情況,同時(shí)對(duì)航天員身體進(jìn)行了掃描,以研究空間環(huán)境對(duì)人體的影響,試圖尋找解決空間飛行所造成肌肉萎縮問(wèn)題的有效辦法。2008年,中國(guó)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(guó)《每日郵報(bào)》報(bào)道,美國(guó)得克薩斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院的研究人員對(duì)暴露在微重力環(huán)境下的27名航天員(曾在航天飛機(jī)或國(guó)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?chē)X脊髓液空間擴(kuò)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(dú)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(gè)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(chǎng);二是使用超導(dǎo)材料制作的核磁共振信號(hào)檢測(cè)器件,可極大地提高測(cè)量信號(hào)的信噪比。
為了得到高質(zhì)量的MRI圖像,對(duì)主磁場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)度為1.592×106A/m的磁場(chǎng),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(wèn)題導(dǎo)致磁場(chǎng)穩(wěn)定性較差。而超導(dǎo)磁體具有磁場(chǎng)穩(wěn)定性好、零功率損耗、易獲得高磁場(chǎng)強(qiáng)度和高均勻度等優(yōu)點(diǎn)。目前,國(guó)產(chǎn)1.5T-A1型MRI超導(dǎo)磁體增加主動(dòng)勻場(chǎng)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(chǎng)的時(shí)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(jì)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(jì)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(lái)檢測(cè)核磁共振信號(hào),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(duì)低溫下樣品的核磁共振信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。1992年,Seton等人[21]使用 SQUID對(duì)室溫下的樣品進(jìn)行了核磁共振檢測(cè)。由于SQUID具有低噪聲和高Q值的特性,可以將共振電壓信號(hào)提高 1~2個(gè)數(shù)量級(jí);此外,SQUID響應(yīng)速度快,消除了放大滯后時(shí)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(cè)磁場(chǎng)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(cè)精度,有助于提高成像質(zhì)量,但由于設(shè)計(jì)制作和使用較為復(fù)雜,而且價(jià)格昂貴,因此限制了其大規(guī)模應(yīng)用。2004年法國(guó)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(jiàn)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(chǎng)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(duì)外界磁場(chǎng)起到有效放大的作用,選用不同的幾何尺寸可以得到對(duì)于探測(cè)磁場(chǎng)不同的放大倍數(shù)[23]。將兩者結(jié)合起來(lái)對(duì)微弱磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量,可以測(cè)量到3×10-14T的微弱磁場(chǎng),這已經(jīng)達(dá)到高溫超導(dǎo)SQUID的探測(cè)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(jí)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(shí)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(cè)試,并與SQUID測(cè)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(cè)得的心磁信號(hào)(中間)與SQUID測(cè)得的心磁信號(hào)(上方)變化趨勢(shì)相同,下方為心電信號(hào),可以看出采用超導(dǎo)技術(shù)的優(yōu)越性;圖 5(b)給出了測(cè)得的心磁信號(hào)(上方)和心電信號(hào)(下方)的變化,可以看出心磁測(cè)量結(jié)果和心電測(cè)量結(jié)果是吻合的;圖5(d)給出了在1 kW RF脈沖激勵(lì)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(méi)有振鈴現(xiàn)象,而且恢復(fù)時(shí)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(shí)驗(yàn)中,往往需要施加非常強(qiáng)的射頻脈沖以控制核自旋。在低場(chǎng)NMR中,為了避免傳感器被損壞,SQUID不能使用脈沖場(chǎng)。而在這方面,復(fù)合磁傳感器對(duì)脈沖磁場(chǎng)具有更好的適應(yīng)性,對(duì) RF脈沖磁場(chǎng)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(chǎng)MRI系統(tǒng)中探測(cè)共振信號(hào),圖6是該系統(tǒng)測(cè)量得到的MRI圖像(右側(cè))與實(shí)物照片(左側(cè))的對(duì)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(jì)算表明:要使復(fù)合磁傳感器達(dá)到低溫超導(dǎo)SQUID的探測(cè)精度,需進(jìn)一步將外加磁場(chǎng)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(wú)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(lì)下,其阻抗值隨沿著絲軸方向施加的外磁場(chǎng)變化而發(fā)生顯著變化。GMI元件對(duì)外磁場(chǎng)的探測(cè)精度比GMR元件高1~2個(gè)數(shù)量級(jí),而GMI元件的多層膜結(jié)構(gòu)制作卻比GMR的簡(jiǎn)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(bào)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(shí)現(xiàn)起來(lái)需要非常精確的制作工藝參數(shù)控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),難度很大?;谶@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(lái)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(cè)精度預(yù)計(jì)可以達(dá)到10-15T量級(jí)。該新型傳感器研究方案得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No.61171003)和北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)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(kāi)展在心磁測(cè)量MRI信號(hào)檢測(cè)方面的應(yīng)用。
2011年,NASA開(kāi)始實(shí)施HRP(Human Research Program)項(xiàng)目,計(jì)劃2017年結(jié)束,2011年該項(xiàng)目獲得的資助為1.547億美元,2012預(yù)計(jì)增加300萬(wàn)美元,2013年預(yù)計(jì)在2012年基礎(chǔ)上再增加700萬(wàn)美元[34]。HRP項(xiàng)目旨在研究航天員在空間環(huán)境中面臨的健康風(fēng)險(xiǎn),包括空間輻射、微重力、封閉環(huán)境等,并建立相應(yīng)的對(duì)策和開(kāi)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(cè)任務(wù)。
HRP項(xiàng)目計(jì)劃將升級(jí)后的超聲波成像設(shè)備裝備到空間站中,以對(duì)航天員進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)和提升國(guó)際空間站(ISS)的生命保障研究能力。項(xiàng)目計(jì)劃2012年10月研制出超聲治療工程樣機(jī),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(guò)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(cè)技術(shù)和核磁共振技術(shù)對(duì)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(gè)病灶,而超聲波圖像只顯示出一個(gè)病灶。另外,超聲波檢測(cè)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(duì)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(dòng)MRI技術(shù)在航天員醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域的應(yīng)用,為人類(lèi)的空間活動(dòng)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(dú)立自主研制成功,為我國(guó)自主研制 MRI系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。因此,針對(duì)我國(guó)載人航天工程和深空載人探測(cè)設(shè)想,有必要對(duì)核磁共振技術(shù)在航天員生命保障中的應(yīng)用開(kāi)展廣泛而深入的研究。
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