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1 航 天 器 环 境 工 程 第 29 卷 第 5 期 486 SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 2012 年 10 月 超 导 核 磁 共 振 技 术 在 航 天 员 生 命 保 障 中 的 应 用 前 景 探 究 1, 王 三 胜 2, 褚 向 华 1 2,, 易 忠 3 2,, 孟 立 飞 3 4, 张 丽 (1. 北 京 航 空 航 天 大 学 惯 性 技 术 重 点 实 验 室, 北 京 ; 2. 可 靠 性 与 环 境 工 程 技 术 重 点 实 验 室, 北 京 ;3. 北 京 卫 星 环 境 工 程 研 究 所, 北 京 ; 4. 北 京 鼎 臣 超 导 科 技 有 限 公 司, 北 京 ) 摘 要 : 长 期 空 间 飞 行 会 对 航 天 员 的 身 心 健 康 造 成 一 定 的 不 利 影 响, 开 展 航 天 员 生 命 保 障 的 研 究 是 非 常 必 要 的 核 磁 共 振 技 术 是 疾 病 检 查 诊 断 的 重 要 手 段, 同 样 在 航 天 员 生 命 保 障 医 疗 中 将 发 挥 重 要 的 作 用 文 章 结 合 国 内 外 相 关 研 究 进 展 以 及 航 天 员 选 拔 训 练 和 航 天 员 医 监 医 保 的 相 关 知 识, 探 究 了 超 导 核 磁 共 振 技 术 在 航 天 员 生 命 保 障 中 的 应 用 前 景 关 键 词 : 航 天 员 生 命 保 障 ; 磁 共 振 成 像 ; 超 导 体 ; 巨 磁 阻 抗 / 超 导 复 合 磁 传 感 器 中 图 分 类 号 :R 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 : (2012) DOI: /j.issn 前 言 在 长 期 载 人 航 天 飞 行 中, 空 间 环 境 因 素 ( 如 微 重 力 辐 射 等 ) 会 对 航 天 员 身 心 健 康 造 成 不 利 影 响 [1], 有 必 要 开 展 航 天 医 学 的 医 监 医 保 研 究 由 于 磁 共 振 成 像 (MRI) 技 术 无 放 射 性, 是 疾 病 检 查 诊 断 的 重 要 手 段 尽 管 MRI 技 术 在 航 天 员 生 命 保 障 方 面 的 应 用 研 究 尚 处 于 起 步 阶 段, 但 其 在 航 天 员 身 体 影 像 诊 断 上 发 挥 重 要 作 用, 应 用 前 景 很 好 [2] 1 核 磁 共 振 成 像 技 术 核 磁 共 振 (Nuclear Magnetic Resonance, NMR) 是 指 处 于 静 磁 场 中 且 具 有 磁 矩 的 原 子 核 吸 收 了 相 应 频 率 电 磁 波 的 能 量 后 在 相 邻 能 级 间 发 生 共 振 跃 迁 的 现 象 检 测 核 磁 共 振 所 产 生 的 信 号 后 经 由 计 算 机 系 统 编 码 处 理, 实 现 图 像 重 建, 就 称 为 磁 共 振 成 像 (Magnetic Resonance Image,MRI) 核 磁 共 振 仪 包 括 连 续 波 和 脉 冲 傅 里 叶 变 换 两 种 类 型 其 中 连 续 波 的 核 磁 共 振 仪 已 很 少 使 用 ; 而 脉 冲 傅 里 叶 变 换 的 核 磁 共 振 仪 很 常 见, 其 原 理 是 将 脉 冲 的 射 频 电 信 号 作 用 于 检 测 物 体, 同 时 激 发 所 需 频 率 范 围 内 所 有 核 的 共 振, 得 到 一 个 呈 指 数 衰 减 的 时 间 响 应 函 数, 称 做 自 由 感 应 衰 减 (Free Induced Delay,FID) 通 过 对 FID 数 据 进 行 傅 里 叶 变 换 得 到 通 常 的 频 率 谱, 从 中 获 得 有 用 的 医 学 诊 断 信 息 传 统 的 核 磁 共 振 仪 主 要 由 磁 体 射 频 发 射 器 射 频 发 射 线 圈 射 频 接 收 器 检 测 线 圈 数 据 记 录 仪 计 算 机 和 扫 描 发 生 器 等 组 成, 如 图 1 所 示 磁 体 用 来 提 供 核 磁 共 振 所 需 的 静 磁 场, 而 静 磁 场 包 含 两 部 分 : 均 匀 的 主 磁 场 和 叠 加 在 其 上 的 梯 度 磁 场, 其 中 梯 度 磁 场 在 成 像 时 用 来 对 空 间 信 息 进 行 编 码 在 采 集 信 号 时 让 检 测 物 体 的 不 同 断 面 处 在 不 同 的 磁 场 强 度 中 处 于 同 一 磁 场 强 度 断 面 中 的 原 子 核 对 应 着 相 同 的 共 振 频 率, 即 频 率 与 断 面 建 立 起 对 应 关 系, 因 此, 接 收 的 信 号 频 谱 在 此 频 率 分 量 上 的 信 息 将 只 反 映 这 一 断 面 的 信 息 射 频 发 射 线 圈 用 于 发 射 射 频 脉 冲, 激 发 共 振 检 测 线 圈 用 于 检 测 核 磁 共 振 时 所 产 生 的 磁 场 信 号, 接 收 在 其 中 产 生 的 自 由 感 应 衰 减 电 压 信 号 收 稿 日 期 : ; 修 回 日 期 : 基 金 项 目 : 国 家 自 然 科 学 基 金 ( 项 目 编 号 : ) 作 者 简 介 : 王 三 胜 (1973 ), 男, 博 士 学 位, 副 教 授, 从 事 导 航 制 导 与 控 制 先 进 传 感 技 术 与 系 统 研 究 ; wangsansheng@tsinghua.org.cn 通 信 作 者 : 褚 向 华 (1988 ), 男, 硕 士 研 究 生, xianghuachu@163.com

2 第 5 期 王 三 胜 等 : 超 导 核 磁 共 振 技 术 在 航 天 员 生 命 保 障 中 的 应 用 前 景 探 究 487 图 1 传 统 核 磁 共 振 仪 示 意 图 Fig. 1 Schematic diagram of traditional NMR device 2 MRI 系 统 在 航 天 员 生 命 保 障 中 的 应 用 探 究 航 天 员 在 恶 劣 空 间 环 境 中 出 舱 是 一 项 高 风 险 的 活 动, 因 此 对 航 天 员 的 选 拔 和 训 练 极 为 严 格 在 选 拔 中 需 要 特 别 关 注 潜 在 的 心 血 管 疾 病 贫 血 糖 尿 病 遗 传 疾 病 泌 尿 系 统 血 尿 与 结 石 消 化 道 疾 病 鼻 窦 疾 病 口 腔 疾 病 以 及 骨 的 畸 形 和 异 常 钙 化 等 任 何 潜 在 疾 病 都 可 能 影 响 日 后 的 训 练 成 效 和 增 加 飞 行 危 险 性 [3] 选 拔 出 合 格 的 人 员 是 第 一 步 之 后, 需 要 对 入 选 的 航 天 员 进 行 严 格 的 训 练, 包 括 空 间 特 殊 环 境 适 应 性 训 练 耐 力 训 练 心 理 训 练 等, 加 强 生 理 知 识 心 理 知 识 航 天 知 识 和 航 天 操 作 技 术 的 学 习, 以 提 高 航 天 员 对 载 人 航 天 活 动 的 正 确 认 识 其 中 空 间 环 境 适 应 性 训 练 负 荷 较 大, 必 须 进 行 现 场 医 学 监 测 与 医 学 保 障 服 务 [4-5] 为 了 提 高 航 天 员 选 拔 的 质 量, 应 采 用 一 些 高 新 技 术 检 测 手 段 [6] 利 用 高 新 仪 器 设 备 开 展 航 天 员 训 练 以 及 执 行 飞 行 任 务 等 过 程 中 的 医 监 医 保 和 相 关 研 究, 以 更 好 地 确 保 航 天 员 的 生 命 安 全 MRI 在 临 床 医 学 上 有 着 广 泛 的 应 用 [7] 如 采 用 扩 散 和 灌 注 的 MRI 技 术 可 以 对 中 枢 神 经 系 统 进 行 研 究, 其 中 灌 注 MRI 方 法 正 被 广 泛 地 用 来 研 究 人 体 感 觉 运 动 知 觉 等 皮 层 功 能 区 的 反 应 与 活 动 ; 利 用 水 分 子 的 扩 散 运 动 可 以 实 现 核 磁 共 振 扩 散 成 像, 用 于 囊 实 性 肿 瘤 的 鉴 别 肿 瘤 水 肿 与 坏 死 等 分 析 以 及 组 织 温 度 变 化 的 监 控, 也 可 以 用 来 研 究 神 经 纤 维 的 走 行 方 向 以 及 髓 鞘 的 形 成 过 程 ;MRI 技 术 在 心 脏 疾 病 诊 断 方 面 尤 其 是 对 于 缺 血 性 心 脏 病 诊 断 和 治 疗 有 着 重 要 的 临 床 价 值 ; 还 被 用 来 对 血 管 进 行 成 像, 通 过 这 项 技 术 不 仅 能 够 提 供 血 管 的 解 剖 及 其 病 理 改 变 图 像, 而 且 可 显 示 血 流 的 速 率 和 方 向 ; 此 外, 通 过 静 脉 内 注 射 顺 磁 性 造 影 剂 还 可 以 提 高 血 管 成 像 效 果, 最 后 造 影 剂 由 肾 脏 排 出 体 外 ;MRI 系 统 还 被 用 在 肝 脏 疾 病 诊 断 和 关 节 疾 病 诊 断 方 面, 由 于 对 软 组 织 有 极 佳 的 分 辨 率, 能 够 实 施 多 方 位 扫 描, 而 且 又 是 非 创 伤 性 的, 已 成 为 评 价 关 节 病 变 的 首 选 的 主 要 的 方 法, 是 软 骨 损 伤 的 最 佳 无 创 检 查 方 法 [9] ; 在 肝 脏 诊 断 方 面, 由 于 肝 脏 存 在 生 理 性 的 呼 吸 运 动, 对 MRI 系 统 有 着 更 高 的 要 求 随 着 MRI 设 备 的 快 速 发 展,MRI 数 据 采 集 速 度 甚 至 超 过 了 CT 血 管 造 影, 已 得 到 医 学 界 的 广 泛 关 注 图 2(a) 为 2003 年 诺 贝 尔 医 学 奖 获 得 者 Lauterbur 等 人 设 计 的 磁 共 振 成 像 仪 的 使 用 示 意 图 [8], 图 2(b) 是 利 用 磁 共 振 成 像 仪 对 人 体 进 行 扫 描 得 到 的 图 像 (a) 磁 共 振 成 像 仪 使 用 示 意 图 (b) MRI 图 像 图 2 Lauterbur 等 人 设 计 的 磁 共 振 成 像 仪 使 用 示 意 图 和 磁 共 振 图 像 Fig. 2 MRI device designed by Lauterbur et al and images scanned by it 在 航 天 员 的 选 拔 和 训 练 中, 前 庭 功 能 是 重 点 检 查 内 容 [10], 而 利 用 MRI 技 术 可 以 对 前 庭 皮 质 进 行 研 究 [11], 有 利 于 取 得 很 好 的 效 果 鉴 于 其 优 异 的 成 像 效 果,MRI 系 统 已 被 应 用 在 航 天 相 关 研 究 中 1996 年 美 国 NASA 在 STS-78 任 务 中 使 用 MRI 技 术 对 活 动 肌 肉 组 织 进 行 扫 描 以 分 析 其 飞 行 前 后 的 变 化 情 况, 同 时 对 航 天 员 身 体 进 行 了 扫 描, 以 研 究 空 间 环 境 对 人 体 的 影 响, 试 图 寻 找 解 决 空 间 飞 行 所 造 成 肌 肉 萎 缩 问 题 的 有 效 办 法 2008 年, 中 国 航 天 员 科 研 训 练 中 心 的 贾 [12] 向 红 等 人 利 用 MRI 技 术 建 立 人 体 模 型, 估 算 航 天 员 在 空 间 所 受 的 辐 射 剂 量 2012 年 3 月 13 日 英 国 每 日 邮 报 报 道, 美 国 得 克 萨 斯 大 学 医 学 院 的 研 究 人 员 对 暴 露 在 微 重 力 环 境 下 的 27 名 航 天 员 ( 曾 在 航 天 飞 机 或 国 际 空 间 站 上 平 均 逗 留 108 d 以 上 ) 进 行 了 MRI 检 查 其 中 9 名 航 天 员 视 神 经

3 488 航 天 器 环 境 工 程 第 29 卷 周 围 脑 脊 髓 液 空 间 扩 张,6 名 眼 球 后 部 变 得 扁 平, 4 名 视 神 经 凸 出,3 名 脑 下 垂 体 和 与 大 脑 连 接 部 位 发 生 改 变 [13] 显 示 出 MRI 技 术 在 航 天 员 医 学 诊 断 中 独 特 和 重 要 的 地 位 3 超 导 技 术 在 MRI 系 统 中 的 应 用 研 究 超 导 技 术 的 应 用 可 以 极 大 地 改 善 MRI 图 像 质 量, 主 要 体 现 在 两 个 方 面 : 一 是 使 用 超 导 材 料 制 作 的 磁 体, 可 为 核 磁 共 振 成 像 提 供 均 匀 且 稳 定 的 背 景 和 / 或 梯 度 磁 场 ; 二 是 使 用 超 导 材 料 制 作 的 核 磁 共 振 信 号 检 测 器 件, 可 极 大 地 提 高 测 量 信 号 的 信 噪 比 为 了 得 到 高 质 量 的 MRI 图 像, 对 主 磁 场 的 均 匀 度 和 稳 定 性 都 有 很 高 的 要 求 磁 体 主 要 有 永 磁 体 电 磁 铁 和 超 导 磁 体 3 种 永 磁 体 的 磁 场 是 稳 定 的, 但 不 能 调 整, 因 而 灵 活 性 较 差 超 导 体 由 于 具 有 高 临 界 电 流 密 度 I c 特 性, 由 它 所 制 成 的 磁 体 与 电 磁 铁 相 比, 在 相 同 空 间 内 产 生 相 同 磁 场 强 度 所 需 要 的 导 体 体 积 小 很 多, 因 而 质 量 也 小 很 多 例 如, 产 生 强 度 为 A/m 的 磁 场, 所 需 电 磁 铁 的 质 量 约 为 3 t; 而 使 用 超 导 磁 体, 所 需 导 体 质 量 大 约 为 3 kg, 仅 是 电 磁 铁 质 量 的 1/1 000 [14] 另 外, 电 磁 铁 由 于 发 热 问 题 导 致 磁 场 稳 定 性 较 差 而 超 导 磁 体 具 有 磁 场 稳 定 性 好 零 功 率 损 耗 易 获 得 高 磁 场 强 度 和 高 均 匀 度 等 优 点 目 前, 国 产 1.5T-A1 型 MRI 超 导 磁 体 增 加 主 动 匀 场 措 施 后 的 均 匀 度 优 于 (30 cm DSV: 指 在 直 径 为 30 cm 球 体 范 围 内 ), 磁 场 的 时 间 稳 定 度 优 于 /h [15] 因 此, 超 导 磁 体 成 为 MRI 系 统 中 最 理 想 的 选 用 磁 体 图 3(a) 为 北 京 大 学 俎 栋 林 教 授 设 计 的 用 于 MRI 的 超 导 磁 体 结 构 示 意 图 [16], 图 3(b) 为 日 本 科 学 家 设 计 的 MRI 系 统 中 应 用 的 Bi 系 材 料 高 温 超 导 磁 体 [17] (a) (b) 1. 铁 屏 蔽 壳 体 ;2. 超 导 线 圈 ;3. 第 一 层 热 屏 蔽 ( 氦 室 ); 4. 第 二 层 热 屏 蔽 ;5. 第 三 层 热 屏 蔽 ( 室 温 ) 图 3 用 于 MRI 的 超 导 磁 体 结 构 示 意 图 (a) 和 MRI 系 统 中 应 用 的 Bi-2223 高 温 超 导 磁 体 (b) Fig. 3 Schematic diagram of superconducting magnet structure used for MRI(a); Bi-2223 HTS magnets used in MRI system(b) 传 统 MRI 系 统 通 常 使 用 铜 制 接 收 线 圈 来 检 测 核 磁 共 振 信 号, 其 信 噪 比 限 制 了 MRI 系 统 成 像 质 量 的 改 善 由 于 超 导 材 料 接 收 线 圈 的 品 质 因 数 Q 约 为 铜 线 圈 的 2 倍, 因 而 使 用 超 导 材 料 接 收 线 圈 可 以 极 大 改 善 MRI 系 统 的 信 噪 比 及 成 像 质 量 [18] [19-20] Hilbert Freeman 等 人 分 别 于 1985 年 和 1986 年 使 用 超 导 量 子 干 涉 仪 (Superconducting Quantum Interference Device,SQUID) 直 接 对 低 温 下 样 品 的 [21] 核 磁 共 振 信 号 进 行 检 测 1992 年,Seton 等 人 使 用 SQUID 对 室 温 下 的 样 品 进 行 了 核 磁 共 振 检 测 由 于 SQUID 具 有 低 噪 声 和 高 Q 值 的 特 性, 可 以 将 共 振 电 压 信 号 提 高 1~2 个 数 量 级 ; 此 外, SQUID 响 应 速 度 快, 消 除 了 放 大 滞 后 时 间, 还 具 有 较 宽 的 调 谐 频 率 带 我 们 知 道,SQUID 器 件 是 目 前 商 业 上 探 测 磁 场 精 度 最 高 的 器 件, 可 以 达 到 T( 高 温 超 导 ) 和 T( 低 温 超 导 ) 的 弱 磁 探 测 精 度, 有 助 于 提 高 成 像 质 量, 但 由 于 设 计 制 作 和 使 用 较 为 复 杂, 而 且 价 格 昂 贵, 因 此 限 制 了 其 大 规 模 应 用 2004 年 [22] 法 国 科 学 家 Pannetier 等 人 利 用 巨 磁 阻 效 应 (Giant Magneto-Resistance,GMR) 与 超 导 结 构 相 结 合 研 制 出 新 型 的 复 合 结 构 超 高 精 度 磁 传 感 器, 见 图 4 所 示 图 4 中 B 是 复 合 部 分 放 大 后 的 示 意 图, GMR 器 件 位 于 超 导 结 构 的 上 方 GMR 效 应 是 指 器 件 的 电 阻 率 随 外 界 磁 场 变 化 而 发 生 显 著 变 化 的 现 象 具 有 特 定 尺 寸 的 超 导 结 构 对 外 界 磁 场 起 到 有 效 放 大 的 作 用, 选 用 不 同 的 几 何 尺 寸 可 以 得 到 对 于 探 测 磁 场 不 同 的 放 大 倍 数 [23] 将 两 者 结 合 起 来 对 微 弱 磁 场 进 行 测 量, 可 以 测 量 到 T 的 微 弱 磁 场,

4 第 5 期 王 三 胜 等 : 超 导 核 磁 共 振 技 术 在 航 天 员 生 命 保 障 中 的 应 用 前 景 探 究 489 这 已 经 达 到 高 温 超 导 SQUID 的 探 测 精 度, 具 有 取 代 SQUID 的 极 大 潜 力 (c) 图 4 巨 磁 阻 / 超 导 复 合 磁 传 感 器 示 意 图 Fig. 4 Schematic diagram of giant magneto-resistive and superconducting mixed sensor 图 5 给 出 了 SQUID 复 合 磁 传 感 器 和 谐 振 线 圈 的 应 用 比 较 [24] 图 5(c) 是 各 传 感 器 的 灵 敏 度 比 较, 其 中 空 心 圆 表 示 SQUID, 其 噪 声 级 别 为 T/(Hz 1/2 ); 虚 线 表 示 谐 振 线 圈 ; 菱 形 表 示 使 用 500 倍 增 益 Nb 超 导 环 的 复 合 磁 传 感 器 ; 方 块 表 示 使 用 500 倍 增 益 YBa 2 Cu 3 O 7-x 超 导 环 的 复 合 磁 传 感 器 ; 实 心 圆 表 示 使 用 倍 增 益 YBa 2 Cu 3 O 7-x 超 导 环 的 [25] 复 合 磁 传 感 器 Pannetier-Lecoeur 等 人 成 功 地 将 复 合 磁 传 感 器 应 用 于 心 磁 测 试, 并 与 SQUID 测 得 的 结 果 进 行 了 比 较, 其 中 : 图 5(a) 表 明 复 合 磁 传 感 器 件 测 得 的 心 磁 信 号 ( 中 间 ) 与 SQUID 测 得 的 心 磁 信 号 ( 上 方 ) 变 化 趋 势 相 同, 下 方 为 心 电 信 号, 可 以 看 出 采 用 超 导 技 术 的 优 越 性 ; 图 5(b) 给 出 了 测 得 的 心 磁 信 号 ( 上 方 ) 和 心 电 信 号 ( 下 方 ) 的 变 化, 可 以 看 出 心 磁 测 量 结 果 和 心 电 测 量 结 果 是 吻 合 的 ; 图 5(d) 给 出 了 在 1 kw RF 脉 冲 激 励 下, 复 合 磁 传 感 器 ( 上 方 ) 和 谐 振 线 圈 ( 下 方 ) 的 响 应 曲 线, 可 以 看 出 复 合 磁 传 感 器 没 有 振 铃 现 象, 而 且 恢 复 时 间 更 短 (d) 图 5 SQUID 复 合 磁 传 感 器 和 谐 振 线 圈 的 比 较 Fig. 5 Comparisons among a SQUID, a mixed sensor and a resonant coil 巨 磁 阻 / 超 导 复 合 磁 传 感 器 具 有 很 宽 的 带 宽 ( 高 达 10 MHz), 而 其 灵 敏 度 几 乎 不 变 在 典 型 的 NMR 实 验 中, 往 往 需 要 施 加 非 常 强 的 射 频 脉 冲 以 控 制 核 自 旋 在 低 场 NMR 中, 为 了 避 免 传 感 器 被 损 坏,SQUID 不 能 使 用 脉 冲 场 而 在 这 方 面, 复 合 磁 传 感 器 对 脉 冲 磁 场 具 有 更 好 的 适 应 性, 对 RF 脉 冲 磁 场 具 有 很 好 的 鲁 棒 性, 为 标 准 脉 冲 核 磁 共 振 技 术 的 应 用 提 供 了 更 多 可 能 2011 年,Chollet 等 [26] 人 将 这 种 复 合 传 感 器 用 在 低 场 MRI 系 统 中 探 测 共 振 信 号, 图 6 是 该 系 统 测 量 得 到 的 MRI 图 像 ( 右 侧 ) 与 实 物 照 片 ( 左 侧 ) 的 对 比 (a) (b) 图 6 基 于 复 合 磁 传 感 器 的 MRI 图 像 Fig. 6 The MRI image obtained by using a mixed sensor 理 论 计 算 表 明 : 要 使 复 合 磁 传 感 器 达 到 低 温 超 导 SQUID 的 探 测 精 度, 需 进 一 步 将 外 加 磁 场 放 大 倍, 使 超 导 样 品 直 径 达 到 2.5 cm [27] ; 而 这 样 做, 无 疑 增 加 了 系 统 体 积 和 耦 合 因 素 1994 年, 日 本 名 古 屋 [28] 大 学 的 Panina 等 人 首 次 在 CoFeSiB 软 磁 非 晶 丝 中 发 现 了 巨 磁 阻 抗 效 应 (Giant Magneto-Impedance

5 490 航 天 器 环 境 工 程 第 29 卷 Effect,GMI), 即 非 晶 丝 在 交 变 电 流 激 励 下, 其 阻 抗 值 随 沿 着 丝 轴 方 向 施 加 的 外 磁 场 变 化 而 发 生 显 著 变 化 GMI 元 件 对 外 磁 场 的 探 测 精 度 比 GMR 元 件 高 1~ 2 个 数 量 级, 而 GMI 元 件 的 多 层 膜 结 构 制 作 却 比 GMR 的 简 单 得 多, 一 般 为 3 层 的 三 明 治 结 构, 最 多 达 5 层 而 文 献 [23] 中 报 道 的 GMR 元 件 的 多 层 膜 结 构 : Si/SiO 2 /Ta(5 nm)/ni 81 Fe 19 (4 nm)/co 90 Fe 10 (1.2 nm)/ Cu(2.4 nm)/co 90 Fe 10 (2.4 nm)/ Ir 20 Mn 80 (10 nm)/ Ta(10 nm), 层 数 多 达 9 层, 这 种 复 杂 的 结 构 实 现 起 来 需 要 非 常 精 确 的 制 作 工 艺 参 数 控 制 和 结 构 设 计, 难 度 很 大 基 于 这 种 状 况, 北 京 航 空 航 天 大 学 王 三 胜 课 题 组 提 出 采 用 高 灵 敏 GMI 多 层 膜 元 件 代 替 原 来 的 GMR 元 件, 既 可 以 兼 顾 小 型 化 和 制 作 上 的 方 便 可 行 性, 又 可 以 达 到 超 高 精 度 该 GMI/ 超 导 复 合 磁 传 感 器 的 研 究 方 案 的 探 测 精 度 预 计 可 以 达 到 T 量 级 该 新 型 传 感 器 研 究 方 案 得 到 国 家 自 然 科 学 基 金 项 目 (No ) 和 北 京 市 自 然 科 学 基 金 项 目 (No ) 的 连 续 资 助, 并 取 得 了 重 要 进 展 [29-33], 目 前 传 感 器 的 灵 敏 度 可 达 到 Vm/A, 正 积 极 准 备 开 展 在 心 磁 测 量 MRI 信 号 检 测 方 面 的 应 用 究 人 员 更 好 地 了 解 和 监 视 航 天 员 的 身 体 变 化 情 况, 从 而 为 航 天 员 提 供 更 好 的 生 命 保 障 与 超 声 波 检 查 技 术 相 比,MRI 技 术 有 更 好 的 分 辨 率 和 更 清 晰 的 成 像 质 量, 图 7 是 分 别 使 用 超 声 波 检 测 技 术 和 核 磁 共 振 技 术 对 乳 房 成 像 所 获 得 的 图 片 [35] 从 图 7 中 可 以 看 出, 不 仅 MRI 图 像 更 清 晰, 而 且 从 MRI 图 像 中 可 以 观 察 出 多 个 病 灶, 而 超 声 波 图 像 只 显 示 出 一 个 病 灶 另 外, 超 声 波 检 测 技 术 的 准 确 性 受 医 师 技 术 水 平 的 影 响 较 大 当 然, 目 前 MRI 系 统 还 存 在 一 些 不 足, 比 如 设 备 相 对 庞 大 和 成 像 数 据 量 大, 这 限 制 了 其 在 空 间 中 的 应 用 随 着 高 温 超 导 技 术 的 成 熟 以 及 新 型 超 导 复 合 磁 传 感 器 的 研 制 成 功, 必 将 有 力 推 动 MRI 技 术 在 航 天 员 医 学 诊 断 领 域 的 应 用, 为 人 类 的 空 间 活 动 提 供 重 要 的 技 术 保 障 4 美 国 NASA 的 航 天 员 生 命 保 障 研 究 计 划 2011 年,NASA 开 始 实 施 HRP(Human Research Program) 项 目, 计 划 2017 年 结 束,2011 年 该 项 目 获 得 的 资 助 为 亿 美 元,2012 预 计 增 加 300 万 美 元,2013 年 预 计 在 2012 年 基 础 上 再 增 加 700 万 美 元 [34] HRP 项 目 旨 在 研 究 航 天 员 在 空 间 环 境 中 面 临 的 健 康 风 险, 包 括 空 间 辐 射 微 重 力 封 闭 环 境 等, 并 建 立 相 应 的 对 策 和 开 发 相 关 的 技 术, 使 航 天 员 能 安 全 可 靠 高 效 地 完 成 空 间 探 测 任 务 HRP 项 目 计 划 将 升 级 后 的 超 声 波 成 像 设 备 装 备 到 空 间 站 中, 以 对 航 天 员 进 行 实 时 监 护 和 提 升 国 际 空 间 站 (ISS) 的 生 命 保 障 研 究 能 力 项 目 计 划 2012 年 10 月 研 制 出 超 声 治 疗 工 程 样 机, 并 于 2013 年 1 月 完 成 超 声 诊 断 / 治 疗 系 统 的 研 制 该 超 声 治 疗 仪 (Ultrasound 2) 是 新 一 代 产 品, 是 用 现 有 的 商 业 超 声 设 备 改 装 而 成, 但 达 到 了 航 天 标 准 超 声 诊 断 是 用 弱 超 声 波 照 射 到 人 体 上, 将 人 体 组 织 的 反 射 波 进 行 图 像 化 处 理, 以 了 解 人 体 的 内 部 情 况 通 过 将 超 声 波 扫 描 图 像 传 回 地 球, 可 以 使 地 面 相 关 研 (a) 彩 色 多 普 勒 声 像 图 (b) MRI 图 像 图 7 左 乳 房 乳 腺 癌 的 彩 色 多 普 勒 声 像 图 和 MRI 图 像 Fig. 7 The color Doppler sonogram and the MRI picture of the left breast cancer 5 结 束 语 MRI 系 统 核 心 部 件 超 导 磁 体 和 超 导 复 合 磁 传 感 器 的 独 立 自 主 研 制 成 功, 为 我 国 自 主 研 制 MRI 系 统 奠 定 了 坚 实 基 础 因 此, 针 对 我 国 载 人 航 天 工 程 和 深 空 载 人 探 测 设 想, 有 必 要 对 核 磁 共 振 技 术 在 航 天 员 生 命 保 障 中 的 应 用 开 展 广 泛 而 深 入 的 研 究

6 第 5 期 王 三 胜 等 : 超 导 核 磁 共 振 技 术 在 航 天 员 生 命 保 障 中 的 应 用 前 景 探 究 491 参 考 文 献 (References) [1] 李 辉, 余 志 斌. 国 际 空 间 站 上 的 空 间 生 命 科 学 研 究 与 进 展 [J]. 航 天 医 学 与 医 学 工 程, 2008, 21(5): Li Hui, Yu Zhibin. Space life science researches aboard International Space Station[J]. Space Medicine & Medical Engineering, 2008, 21(5): [2] 崔 巍, 王 淼. 磁 共 振 成 像 技 术 在 临 床 上 的 应 用 [J]. 医 学 信 息, 2010, 23(9): 3434 Cui Wei, Wang Miao. Application of magnetic resonance imaging techniques in clinical[j]. Medical Information, 2010, 23(9): 3434 [3] 杨 照 德. 航 天 员 上 天 之 前 航 天 员 选 拔 与 训 练 [J]. 百 科 知 识, 2000(5): Yang Zhaode. Astronaut selection and training[j]. Encyclopedic Knowledge, 2000(5): [4] 魏 岳 江, 齐 季. 神 舟 8 号 航 天 员 的 选 拔 和 训 练 [J]. 中 国 军 转 民, 2009(5): Wei Yuejiang, Qi Ji. Shenzhou 8 astronaut selection and training[j]. Defence Industry Conversion in China, 2009(5): [5] 李 勇 枝. 从 载 人 飞 行 实 践 看 航 天 员 医 监 医 保 的 发 展 [J]. 航 天 医 学 与 医 学 工 程, 2003, 16(S): Li Yongzhi. Development of medical monitoring and support in the practice of manned space fligh[j]. Space Medicine & Medical Engineering, 2003, 16(S): [6] 王 德 汉. 航 天 员 选 拔 的 回 顾 与 启 示 [J]. 中 国 航 天, 1995(7): Wang Dehan. Review and revelation of astronaut selection[j]. Aerospace China, 1995(7): [7] 谢 敬 霞. 核 磁 共 振 新 技 术 研 究 与 临 床 应 用 [M]. 北 京 : 北 京 医 科 大 学 出 版 社, 2001: [8] Lauterbur P C, Mansfield P. The Nobel Prize in physiology or medicine 2003 MLA Nobelprize.org[EB/OL]. [ ]. medicine/ laureates/2003/press.html [9] 李 艳 丽, 陈 国 云, 马 婷. 低 场 MRI 对 膝 关 节 软 骨 损 伤 的 诊 断 价 值 [J]. 中 国 医 药 指 南, 2012, 6(10): Li Yanli, Chen Guoyun, Ma Ting. Diagnostic value of low field MRI of knee cartilage injury[j]. Guide of China Medicine, 2012, 6(10): [10] 黄 伟 芬. 中 国 航 天 员 选 拔 训 练 回 顾 与 展 望 [J]. 航 天 医 学 与 医 学 工 程, 2008, 21(3): Huang Weifen. Review and outlook of China s astronaut selection and training[j]. Space Medicine & Medical Engineering, 2008, 21(3): [11] 龚 霞, 黄 魏 宁. 功 能 性 核 磁 共 振 成 像 技 术 与 人 类 前 庭 皮 质 [J]. 国 际 耳 鼻 咽 喉 头 颈 外 科 杂 志, 2006, 30(4): Gong Xia, Huang Weining. Functional magnetic resonance imaging technology and the human vestibular cortex[j]. International Journal of Otolaryngology-Head and Neck Surgery, 2006, 30(4): [12] Jia Xianghong, Xu Feng, Huang Zengxin, et al. Estimate of space radiation exposure to astronauts using male voxel model based on MRI[J]. Space Medicine & Medical Engineering, 2008, 21(4): [13] Eddie Wrenn. Is long-term space travel really possible? Scans on astonauts reveal serious damage to eyes and brains. Mail online[eb/ol]. [ ]. dailymail.co.uk/sciencetech/article /can-human ity-cope-long-term-space-travel-scans-reveal-damage-br ains-eyes-astronauts.html [14] 曹 效 文. 超 导 强 磁 场 [J]. 现 代 物 理 知 识, 1989(6): Cao Xiaowen. Superconducting magnet[j]. Modern Physics, 1989(6): [15] 刘 艳 江, 汪 汀, 陈 浩 树, 等. 1.5T-A1 型 MRI 超 导 磁 体 的 研 制 [J]. 舰 船 科 学 技 术, 2011, 33(6): Liu Yanjiang, Wang Ting, Chen Haoshu, et al. 1.5T-Al superconducting magnet s development[j]. Ship Science and Technology, 2011, 33(6): [16] Tang Xin, Zu Donglin, Wang Tao, et al. An optimizing design method for a compact iron shielded superconducting magnet for use in MRI[J]. Superconductor Science and Technology, 2010, 23: 1-6 [17] Hitoshi Kitaguchi, Osamu Ozaki, Takayoshi Miyazaki, et al. Development of a Bi-2223 HTS Magnet for 3T MRI System for Human Brains[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2010(3): 712 [18] 白 质 明, 何 砚 发, 王 轶 楠, 等. 磁 共 振 成 像 超 导 接 收 线 圈 品 质 因 数 的 实 验 研 究 [J]. 稀 有 金 属 材 料 与 工 程, 2008, 37(4): Bai Zhiming, He Yanfa, Wang Yi nan, et al. Experimental study on quality factor of superconducting receiving coil for MRI[J]. Rare Metal Materials and Engineering, 2008, 37(4): [19] Hilbert C, Clarke J, Sleator T, et al. Nuclear quadrupole resonance detected at 30 MHz with a DC superconducting quantum interference device[j]. Applied Physics Letter, 1985, 47: [20] Freeman M R, Germain R S, Richardson R C. Lowtemperature nuclear magnetic resonance with a dc SQUID amplifier[j]. Applied Physics Letter, 1986, 48: [21] Seton H C, Bussell D M, Hutchison J M S, et al. DC SQUID-based NMR detection from room temperature samples[j]. Phys. Med. Biol., 1992, 37(11):

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