译文:十字路口的高场NMR和MRI

译者按:这其实是美国的一个workshop的介绍报告,由Tatyana Polenova和Thomas F. Budinger两个写的。我这里主要翻译这份报告的第一部分,关于磁共振的目前状况,主要针对美国的;还有就是他们这次workshop所要讨论的和想要达到的意图。

  1. 科学发展创新离不开超高磁场技术,同时也有助于具有国家战略领域的技术应用转型。【编者按:这个意义高大上】

  2. 讨论发展新型,经济的HTS和串联LTS/HTS的超高磁场技术。【编者按:HTS高温超导,LTS低温超导】

  3. 规划超高磁场技术发展蓝图,实现超高磁场设备在国内的安装和采样并且达到内国区域共享。

磁共振的目前状态

编者按:首先第一段都是大谈本领域对于人类福祉的贡献和作用。然后再讲讲目前这个领域的困境等等,接着说一大堆其实就是讲发展这个领域的重要性和必要性。其实我翻译这一部分的原因是介绍目前传统低温超导技术NMR磁场强度的极限和突破口在于HTS。当然这部分他们也是主要将美国国内这个领域的现状,附带说了目前其他国家的状况和计划。

磁共振技术在学术界、工业界和医疗行业有着举足轻重的地位。核磁共振(NMR)广泛地应用于固液态的新材料、化合物和药物的结构、化学性能以及动力学性能的表征。NMR技术同样可以给出生物大分子和它们的assemblies详尽的功能信息,不管是体外的,还是细胞膜上的,甚至在细胞里面都可以。核磁共振成像(MRI)和磁共振谱(MRS)可以无创伤地检测人体常规的生理机能和新陈代谢,特别是可以用于评估脑功能,实现了疾病的临床诊断和预测。同样的,MRI/S作为一种关键的技术实现在细胞水平上的小组织成像和在化学反应中监控催化等等其他科研领域的非破坏性表征复杂体系的结构和动力学。

低温超导的MR方法的核心关键要素为磁场强度、稳定性和均匀性,对于所有的实验都是必须满足的。NMR/MRI受到传统的LTS磁场极限强度的限制而无法进一步发展,而突破口在于新高温超导和混合低温超导/高温超导磁体技术大大提高了核磁共振磁场强度,并且降低高场人体MRI设备的操作难度,这种新技术走在现代交叉学科研究的前沿。那还缺少什么呢,就是“超高磁场”(高于23.5特斯拉的NMR和高于11.7特斯拉的MRI)的部署为为国内共享的仪器设备的机制。在美国缺少这种机制,再加上基础设备的缺少正阻碍着磁共振科学的发展。这些不足严重影响着我们从事一些国家重要战略领域的前沿尖端科学研究,包括NSF、DOE和NIH关注的项目(见下文)。缺少先进的超高磁场的NMR/MRI设备也对于培养下一代科学家、未来美国研究企业的领军人产生负面影响。

自从NMR科学家Richard Ernst(1991),Kurt Wuthrich(2002), Paul Lauterbur和Peter Mansfield(2003)获得诺贝尔奖以后,NMR仪器市场有长足明显的发展。但现在NMR和MRI/MRs的进一步发展却面临着这种从1970年建起的超稳定性和超高分辨率磁场(在亚ppm量级上)的技术的固有限制。当前的磁体技术依赖于传统的低温超导(LTS),如图一,磁场强度已经达到极限强度23.5T-对应1GHz的氢拉莫频率。

373C8

虽然LTS磁体在12T以下非常高效,但是在高于15T,每增加5-10%的磁场强度成本就要翻一番。即使我们努力一把使得LTS磁体达到需要的强度,稳定性和均匀性,这样子的磁体体积会非常大,而且也非常昂贵,场地大小也只能极限于非常少的实验室。成本问题阻碍了磁共振基础科学的发展,而在美国磁共振中尤为严重。目前(编者按:2015年)全球磁场强度在22.3-23.5T的NMR有14台,其中欧洲有7台,亚洲和澳洲有4台,和美国有2台。另外两台23.5T核磁在欧洲(拜罗伊特,德国)和北美(多伦多,加拿大)安装。欧洲多个研究机构预定了7台以上的25.8-28.2T的NMR仪器:一台25.9T(苏黎世,瑞士),和6台28.2T的(佛罗伦萨,意大利;哥廷根,德国;乌得勒支,荷兰;慕尼黑,德国;里尔,法国;尤利希,德国)。欧洲的机构还有其他三个订单(两个23.5T和一个28.2T的)。同样的,这些限制也制约着商业的人体MRIs的发展,目前在临床和研究应用也只能够买到7T的核磁共振成像。当前人体最高磁场MRI(9.4T)坐落在芝加哥大学和明尼苏达大学(9.4T和10.5T),还有NIH和萨克莱(法国)计划11.7T系统,南韩也提出14T的系统计划。虽然科学进展紧密依赖于更高的磁场,但是持续性的发展更大和更贵的高场磁体系统是不可能的。

没有开发出新的磁体技术,多种磁共振应用在创新化学、材料、生物和制药科学的研究都是不可能实现的。在2013年颁布的两个“大挑战”中NMR和MRI也是其根本基石。其中一个源于2013年的美国国家研究委员会的“磁科学在美国的现状和未来方向”。这个报告是由专家小组根据美国国家自然基金和能源部的要求编辑的,目标是(1)让美国恢复在NMR高分辨领域的竞争力,发展出在2020年安装接近30T的核磁,(2)发展20T的人体MRI/NMR系统用于大脑研究和人体研究。第二个大挑战是BRAIN倡议,目标是通过发展出新的无创伤方法来显示和了解健康大脑的功能和组成,包括发展先进的,更加灵敏和更好的空间分辨率的MRI系统。这两个挑战在“低温超导磁体”的技术内都没有办法得到充分的解决:低温超导没有办法简单跨过材料和生物NMR进一步发展需要的24T的磁场强度界限(图2),而低温超导的20T人体MRI系统的重量将超过400顿。再者相应的成本和开发商所需要承担的风险也是没有办法往这方向发展的问题。庆幸的是近期新超导和磁体技术的发展可能有机会攻克低温超导的极限。

29213