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医疗健康领域:14.1T强磁场高端科研磁共振成像装置研发

文章来源: 发布时间: 2018-06-11

  所处阶段:小试 

  成果来源:强磁场科学中心 

  必要性及需求分析: 

  磁共振成像(MRI)是生物成像技术应用最广泛的手段之一。与其他医用影像技术相比,MRI不仅具有很好的组织对比度和分辨率,而且具备无辐射损伤的优势。MRI在临床疾病的早期检测、临床干预、新药物、手术评价、干细胞移植等方面发挥了重要作用。强磁场下MRI9.4T及以上)为研究脑神经与精神疾病相关的认知功能障碍及两者的关系提供有力了重要工具。我国脑计划(类似美国2013年宣布的脑计划)即将实施。但其中需要依赖磁共振成像等研发出许多目前仍没有的新技术来推动这个层面工作的有效进行。非人灵长类疾病模型(如猕猴等大型哺乳动物)是我国脑疾病研究的主要优势之一,围绕此资源开展脑疾病及其机理的研究将能够全面推动我国相关领域研究的发展。 

  磁共振成像技术的重要应用价值,使其具有非常广阔发展前景。其核心和技术是前沿科学研究的结晶,同时蕴藏巨大的商业利益。据统计,全世界每年至少新增3000多台临床超导磁共振成像系统,市值约为30亿美元。我国目前的中高端临床磁共振设备市场几乎被国外产品垄断。同时,我国的高端研究型磁共振成像设备市场的发展远远落后于欧美发达国家。积极开展强磁场下磁共振成像技术研究,研发具有自主知识产权的相关设备系,实现高性能磁共振设备的国产化,对提高我国自主创新能力和建设创新型国家具有重要的战略意义。项目的顺利实施将为我国科学家在结构生物学、人体代谢、脑认知、神经科学、临床医学及疾病的早期诊断等热点领域开展高水平研究提供国际最先进的平台,使我国磁共振成像技术研究步入国际先进行列。 

  目标及主要任务: 

  发展具有自主产权的强磁场高端科研磁共振成像装置。目前国内的动物磁共振成像系统只有10台左右,磁场强度主要涵盖4.7T9.4T,而且大多数口径在20厘米以下,不具备大型哺乳动物的成像能力。基于目前国内外磁共振成像研究的状况和装机水平,我们,提出发展磁场强度为14.1特斯拉、磁体口径为40厘米的大型动物磁共振成像系统,主要用于非人灵长类大型哺乳动物的科学研究。主要任务包括:1) 开发14.1T 40 cm的超导磁体及其配套系统;2)开发频率在600MHz的磁共振成像谱仪控制系统,实现14.1T下的超高分辨磁共振成像。,计划用35年时间完成系统的研制工作,制造出能够满足高端研究需求的磁共振成像样机并完成相关设计的定型工作。 

  选择14.1T的磁场强度以及40厘米的常温孔径,是在充分参考了国内外已有的装置条件的基础上,同时考虑到项目实施的风险与技术难度而综合选择的结果。目前国际上针对大口径动物磁共振成像的系统只到11.7T14.1T的指标在技术上有足够的先进性。同时,40厘米磁体孔径的选择可以降低技术风险,提高项目的成功机会。 

  现有工作基础: 

  中国科学院强磁场科学中心是国家为发展我国强磁场技术及促进相关高技术的广泛应用而成立的一个非法人单元,依托中科院合肥物质科学研究院进行管理。强磁场科学中心承担的稳态强磁场实验装置自主研制的强磁场磁体已创造多项世界先进水平:磁体孔径为32mm50mm200mm的三台水冷磁体都创造世界同类装置最高稳态磁场记录。同时,建成了亚太唯一、国际先进的配有高洁净度动物实验室的9.4T/40cm的大型动物磁共振成像平台,建立了一支精干的队伍,在高场磁共振成像技术的开发方面具备了相当的基础与实力。 

  强磁场科学中心在建设和运行稳态强磁场实验装置的过程中培养了一大批优秀的技术专家、科研骨干以及管理人才,负责强磁场共振实验装置建设的人员大多先后参加过EAST超导托卡马克和稳态强磁场实验装置两大国家重大科技基础设施的建设和调试任务,具有国家重大科技基础设施研制、运行和管理经验。同时,中心拥有一批长期从事磁共振研究的科研人员,所有这些为14.1T强磁场磁共振成像装置的开发提供了强有力的人力保障。 

  强磁场科学中心是由等离子所原强磁场研究室和部分超导托卡马克装置相关工程技术人员组成,在大型超导磁体设计和大型深低温技术、高温超导材料、超导应用基础研究等方面具有长期的研究工作积累和基础。目前承担着稳态强磁场实验装置混合磁体外超导磁体研制任务,该超导磁体设计场强为12T,口径为80厘米,采用Nb3Sn超导材料制作。在研制此磁体的过程中也发展了关键技术能力,建成了国内迄今唯一的大型铌锡超导磁体热处理系统。这些关键的基础工作为14.1T强磁场磁共振成像装置磁体的开发提供了坚实的技术基础。 

  中科院强磁场科学中心通过与中国科学院武汉物理与数学研究所合作,发挥双方技术优势并依托稳态强磁场实验装置,正逐步建成25 T / 1.06 GHz水冷磁体固体NMR波谱仪。该系统是目前国内磁场最高的NMR波谱仪,配有双通道射频发射和接收控制台。这为项目的14.1T强磁场磁共振成像装置谱仪系统的开发提供了坚实的技术基础。 

  预期经济和社会效益: 

  我国的高端研究型磁共振成像设备市场的发展远远落后于欧美发达国家。据统计,欧美国家科研型磁共振成像系统与临床系统的比例在150左右,而我国目前的这一比例在1500以下。随着我国基础科学领域投入的不断加大以及创新型国家战略的推动,相关领域的设备需求将在未来的若干年内有大幅度增长。按照目前的装机数量统计,我们预期我国9.4T及以上的磁共振成像研究型系统的市场规模将超过50-100亿元人民币。如果发展出14.1 T /40厘米的高端研究设备,将在此领域使我们具备追赶国际先进水平的机遇和良好的商机。同时研发具有自主知识产权的相关设备并实现高性能磁共振设备的国产化,对提高我国自主创新能力和建设创新型国家具有重要的战略意义。 

  目前国内相关领域的用户需求正在有一个爆发式增长的趋势,仅强磁场科学中心近2年的用户数量已经超过30余家。需求来源不仅限于中科院,同时包括高校以及医学院所,涵盖了从物理、化学到临床医学等众多学科领域。上述的市场预期将有很大机会实现。 

  实施方式/模式: 

  项目的具体实施将以中国科学院强磁场科学中心牵头,通过政府投资、社会集资等多种方式来保障项目实施过程中的资金需求。我们将在合肥物质科学研究院的新的产业园区内建设一个专门的研发与生产中心。同时,通过合作、混股等多种方式,引入在磁共振成像研发方面具备一定实力的国内公司,在谱仪系统的再研发方面开展更广泛的产业合作。

 

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