超导材料在核磁共振成像领域的应用与进展

时间：2021-11-23 10:26:26 所属分类：计算机技术 浏览量:

核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，简称MRI)技术是在人工制造的强磁场内，利用核磁共振原理来探测生物体内部组织，采集数据并由计算机处理后成像的技术。它既不需要使用电子束或X射线，也不需要注射造影剂，而且也未发现强磁场对人体的危害，因而被认为是一种

　　核磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，简称MRI)技术是在人工制造的强磁场内，利用核磁共振原理来探测生物体内部组织，采集数据并由计算机处理后成像的技术。它既不需要使用电子束或X射线，也不需要注射造影剂，而且也未发现强磁场对人体的危害，因而被认为是一种安全高效的生物医学检测技术。MRI已经被广泛应用在心脑血管疾病、胸腔腹腔内器官疾病、肿瘤、肌肉及软组织等的检查、诊断及追踪，正发挥着巨大的作用。MRI的清晰度与磁场强度、磁场均匀度、磁场稳定性有重要关系，磁场强度越高、磁场均匀度越好、磁场稳定性越好，MRI的清晰度就越高。大多数医院使用的MRI磁场强度是1.5 T和3 T，而7.0 T磁强的MRI属于高精度产品，目前只在一些先进的医院和科研机构才有。常用的MRI通常选择1H为靶原子核，高精度的MRI也会增加选择31P、13C，在提高成像精度的同时，也拥有更多的检查功能。

　　MRI装置主要由磁体系统、磁共振波谱仪系统、数据处理和图像重建系统这三个组成。其中磁体系统是最为关键的部分，主要由主磁体、匀场线圈、射频线圈、梯度线圈等组成。主磁体可以使用常规电磁体、永磁体、超导磁体制造。目前1.5 T以上磁强的MRI采用的主要是超导磁体，其常用的超导体为Nb Ti超导合金，在部分高强MRI磁体材料中也有使用Nb3Sn超导合金。同时，也有一些科研机构在研制以Mg B2、Bi-2223、YBCO等超导材料来制造MRI超导磁体。本文将对各种超导磁体材料在核磁共振成像领域的应用与研究进展进行综述，为参与核磁共振成像设备及相关产品的研究提供参考。

　　一、Nb Ti合金、Nb3Sn合金及其MRI应用

　　目前，世界上绝大多数的MRI装置使用的都是Nb Ti超导合金。Nb Ti超导合金属于低温超导材料(LTS)，由美国西屋实验室J.K.Hulm等人发现[1]，其超导临界温度Tc为9.7 K,4.2 K下的上临界磁场约为11 T。Nb Ti线材一般用高温熔炼法制备合金，然后经过多次拉拔成多芯线(几百芯至上万芯)，最后热处理成为(α+β)双相合金。Nb Ti超导合金在中低磁场下拥有良好的超导性能、良好的塑性和强度，并且加工工艺较为简单，因而成为了目前最具实用价值的超导材料，广泛应用于核磁共振设备、超导加速器、磁悬浮列车项目等领域中。目前，世界上使用Nb Ti超导合金最多的应用领域是MRI，其每年约需要消耗2500吨[2]。

　　Nb3Sn超导合金由美国贝尔实验室B.T.Matthias等人于1954年发现[3]，其超导临界温度Tc为18.1 K,4.2 K下的上临界磁场约为25 T。Nb3Sn的超导性能要优于Nb Ti，主要表现为超导临界温度更高，4.2 K下的上临界磁场更大，能承载的临界电流密度更高，因此也具有很好的实用价值。但是，Nb3Sn合金实际上是一种金属间化合物，其脆性大、硬度高，在使用时会受到很多限制，并且其制备工艺也较Nb Ti复杂。目前，青铜法是制备Nb3Sn合金的主流方法，国内外生产Nb Ti和Nb3Sn超导线的主要公司有德国布鲁克(收购了德国EAS和英国牛津仪器超导技术部)、日本古河电工、英国Luvata、中国西部超导等。

　　目前，世界上制造和销售MRI的公司主要是德国西门子、美国通用电气、荷兰飞利浦这三家，其合计市场份额约80%。在国产化替代需求下，国内也诞生了一些MRI公司，主要有沈阳东软医疗、上海联影医疗、成都奥泰医疗、北京万东医疗、深圳贝斯达医疗和宁波鑫高益医疗等。对于国外这三个巨头公司来说，1.5 T和3.0 T的MRI产品都已经是技术非常成熟的产品，他们现在正在向市场推广新开发7 T的MRI产品，清晰度要高很多。2017年，西门子MAGNETOM Terra成为首个获得美国FDA批准认证的7 T磁强MRI产品。2018年，世界首台10.5 T MRI在美国明尼苏达大学磁共振研究中心完成了首次人体全面扫描。2019年，世界首台11.7 T的MRI在法国完成了组装后的首次调试，项目代号为“Iseult计划”，其结构如图1所示。该项目主要由法国原子能委员会、德国西门子、法国阿尔斯通、德国弗莱堡大学等合作完成，耗时近15年。这台庞然大物的磁体重达132吨，花费近两年时间才完成安装，仅冷却过程就花费了4个月时间，共使用了250000升液氮和18500升液氦[4]。由于Nb Ti合金性能的稳定性，以上这些MRI产品都采用了Nb Ti合金来制造磁体。

　　二、Mg B2合金及其MRI应用

　　Mg B2合金由日本青山学院大学J.Nagamatsu等人于2001年发现[5]，其超导临界温度Tc为39 K，是传统超导体中最高的，其4.2 K下的上临界磁场约为14 T。Mg B2合金同Nb3Sn合金一样也属于金属间化合物，具有脆性大、硬度高的特点，但是原料成本低廉，制备工艺相对简单。Mg B2合金的制备工艺主要有粉末装管法(PIT)、中心镁扩散法(IMD)这两种。

　　Mg B2合金的超导临界温度高达39 K，因而被认为在用于制造商业化无液氦的MRI产品上具有很好的潜力。美国ASG超导公司开发了一款采用Mg B2合金制造的商用化MRI产品“MROpen”，但是其磁场强度仅为0.5 T，采用了开放式结构，无需使用液氦制冷[6]。美国麻省理工大学于今年完成了一款桌面型的手指MRI系统，磁场强度1.5 T，孔径为90 mm，可主要用于骨质疏松症的筛查，其磁体材料采用了Mg B2合金制造[7]。目前，用Mg B2合金来制造MRI，还是以0.5 T～1.5 T的中低磁场为主，主要受限于Mg B2合金很难制备出1 km以上的长尺寸线。

　　三、Bi-2223、YBCO等高温超导材料及其MRI应用

　　1986年，IBM苏黎世实验室的柏诺兹(J.G.Bednorz)和穆勒(K.A.Müller)发现了铜氧化物超导材料Ba-La-Cu-O，其超导临界温度达到35 K，一举打破了当时世界上最高的超导临界温度(Nb3Ge的23.2 K)，进而引发了世界范围内研究高温超导的热潮。1987年，美籍华裔朱经武和中国科学家赵忠贤等几乎同时发现了YBCO超导材料，其临界转变温度高达90 K。1988年，日本科学家H.Maeda和M.Takano等发现了Bi系超导材料，其中Bi-2223的临界转变温度达到了110 K。铜氧化物高温超导材料的共同特点是都属于一种层状化合物，目前普遍认为其中起到超导作用的主要是铜-氧层上的电子对。

　　1. Bi-2223及其MRI应用

　　Bi-2223实际上是一种陶瓷结构材料，其脆性大，不易加工，目前一般采用粉末装管法制备，然后再通过多次拉拔、轧制和热处理等工艺，将其加工成很薄的带材后来使用，常被称为第一代高温超导带材。目前，世界上生产Bi-2223带材的公司主要是日本住友电气和中国英纳超导。Bi-2223超导带材在超导电缆上具有很大的发展潜力，因而该领域的研究较多。但是，也有一些科研机构做了Bi-2223在MRI应用上的研究。日本神户钢铁、国家材料研究所、住友电气、京都大学、高岛制作所等共同合作，于2013年利用Bi-2223带材作为磁体材料，设计并制造了一台3 T磁强的MRI产品，其孔径为514 mm，可用于人脑的MRI检查，如图2所示[8]。

　　2. YBCO及其MRI应用

　　YBCO本质上也是一种陶瓷结构，脆性大，不易加工，而且由于其晶粒间结合较弱，也难以用粉末装管法制备。YBCO带材通常称为第二代高温超导带材，主要包括金属基带、隔离层、超导层、保护层等。YBCO带材通常采用沉积法来制备，主要有离子束辅助沉积法(Ion Beam-Assisted Deposition,简称IBAD)、轧制辅助双轴织构法(Rolling-Assisted Biaxially Textured Substrate,简称RABi TS)、倾斜基板沉积法(Inclined Substrate Deposition,简称ISD)等几种。YBCO的主要应用方向也是超导电缆，不过由于其沉积的超导层性能好于Bi-2223，因此在制造超导磁体上也有更大的优势和潜力。2013年，新西兰Callaghan Innovation公司的B.J.Parkinson等人利用美国超导生产的YBCO带材设计并制造了一款1.5 T磁强的适合MRI用的超导磁体，孔径为242 mm，主要用于人体四肢的检查，如图3所示，并成功完成了各项性能测试，证明了YBCO在MRI应用中的可行性[9,10]。

　　四、结语与展望

　　核磁共振成像技术是一种安全高效的医学技术，通过提高产品所能达到的磁场强度，可以提高MRI的清晰度，可为更精确的医学检查、诊断和追踪提供巨大帮助。目前，市场上主流的MRI产品磁强为1.5 T和3.0 T，超导磁体材料通常使用Nb Ti超导合金，并使用液氦冷却。随着冷却和保温技术的发展，Nb Ti超导合金制造的MRI产品中的液氦从“少挥发”进化到“几乎零挥发”。但是，液氦价格昂贵且一直在涨价，并且世界上氦气的储量是有限的，而我国液氦基本都靠进口。用Mg B2或Bi-2223、YBCO等高温超导材料制造的MRI产品可以不使用液氦，具有不错的发展潜力。但是，由于目前这几种材料公里级的长线材或长带材制备工艺尚有困难，研究制备的MRI磁强在0.5 T～3.0 T，比Nb Ti合金所达到的最高值11.7 T要小许多。展望未来，如果液氦价格继续大幅上涨，Mg B2或高温超导材料的制备技术更加成熟，以这几种超导材料制备商用化的MRI产品将会展现出很好的发展前景和经济价值。

　　参考文献

　　[1]Hulm J K,Blaugher R D.Superc onducting Solid Solution Alloys of the Transition Elements[J] Physical Review,1961,123(5):1569-1580.

　　[2]马衍伟.实用化超导材料研究进展与展望[J].物理,2015.44(10):674-683.

　　[3]Matthias B T,Geballe T H,Geller S.et al. Superconductivity of Nb3Sn[J] Physical Review, 1954.95(6): 1435-1435.

　　《超导材料在核磁共振成像领域的应用与进展》来源：《山东工业技术》，作者：郑贝贝

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