核磁共振成像技术(MRI)广泛应用于医疗影像，成为当代医学诊断最强有力的工具之一。由于高磁场能够极大提高信噪比和改善成像分辨率，高均匀与稳定磁场能够更好实现时间与空间的同步性以达到快速高清晰扫描。超高磁场核磁共振已经成为癌症早期诊断、高风险手术评估、代谢成像和研究神经科学的重要工具，成为当代分子影像的重要前沿领域。随着技术的发展，不同成像方法具有各自的优势和存在的问题，为实现优势互补，形成了所谓的多模态成像技术，超高磁场核磁共振使得多模态成像的空间分辨率范围扩展到1.7mm～1μm，能够实现病变特征的影像监控和特殊的工业应用。特别是针对不同部位或组织的病变、病理等疾病特征，结合核医学治疗手段，开展治疗药物的性能研究，为开发新型药物提供基础依据。
吴石增：今天我们在这里举办“高磁场核磁共振技术的研究及应用前景”学术沙龙活动。电工所超导磁体与强磁场应用研究部主任王秋良研究员长期从事超导磁体和高磁场技术及应用的研究，取得了显著的成绩，
2010年获得了国家科技进步二等奖，2013年又获得了国家技术发明二等奖，近几年又将超导磁体技术和高磁场技术应用到核磁共振成像技术的研究当中，今天我们特邀王秋良研究员做该学术沙龙的主旨报告。我们今天还邀请到了北京大学的高家红教授和电工所的杨文晖研究员做邀请报告。北京大学的高家红教授，长期从事磁共振成像领域的研究工作，现为北京大学讲席教授，北大医学物理和工程北京市重点实验室主任，北大磁共振成像研究中心主任，北京大学麦戈文脑研究所研究员，中国科学技术大学“大师讲席”教授，国际人类脑图谱学会理事会理事，高教授今天报告的题目是：“高场神经元放电功能磁共振成像”。杨文晖研究员现为电工所电磁信息检测与成像技术研究部主任，长期从事磁共振成像技术的研究，曾在电工所完成了磁共振成像仪器样机，并与企业合作完成了磁共振成像仪器的产品化，对促进我国磁共振成像仪器的应用和发展作出了贡献。他今天报告的题目是：“现代磁共振成像系统梯度技术的特点及其对成像特性的影响”。三位专家报告之后，请大家敞开思路，踊跃发言，积极参加讨论。希望通过今天的学术沙龙，将高磁场核磁共振成像技术的特点和奋斗目标展现给大家，大家谈想法、出主意、提建议，进一步促进磁共振成像技术的研究和发展。
王秋良：高场磁共振成像的研究及应用前景
各位上午好，非常感谢老科协来组织这次研讨会。我想从以下几个方面介绍一下近年来核磁共振成像的发展概况。首先介绍磁共振的一些技术需求。我们现在的医学成像，主要通过各种仪器设备，获取生物体的信息，信息获取之后，再进行信息传输，之后再对信息进行处理，然后进行显示。通过这种方式，我们可以实现快速诊断，可以把仪器使用范围延伸到更远的距离。
目前诊断有各种各样的方法，包括形态学诊断、功能性诊断和生化类诊断。形态学诊断，又分为影像学和病理学。其中影像的方法，最基本的有X光和CT，还有磁共振、超声以及光学的方法。功能性诊断是利用分子影像技术来成像，而生化类诊断就是利用生化分析仪进行微量元素比例的分析。
医学影像研究的发展，为诊断带来根本性的变化，传统诊断的方式，主要采用切开人体相应的器官，看里面有没有什么问题，然后进行诊断。现在技术的发展，可以先从外面看里面有什么问题没有，如果有问题的话再切开。实际上从医学诊断来看，就是探测的方法，即物理参量，比如温度、压力、磁场、电场等方式实现探测。成像的方法，一个是CT，就是我们刚才讲的，进行结构成像，看到是影像的密度，相对比较快。第二个是核磁，实现功能成像，就是更完整的成像，分辨率比较高。
如图1，这是历史上第一副医学影像，是在1895年实现的，到2014年，已经经历一百多年，从目前的成像看，清晰度是越来越高，分辨率越来越高，功能也是越来越强。
图1 历史上第一副医学影像
核磁共振成像（MRI），第一是要看得见，就是外面能看得到里面；第二，还要看的比较清楚；第三，看的清楚之后还要看的比较准。所以围绕实践一步一步发展，从看得见，看得清到看得准，实现结构功能的变化。核磁共振的基本原理是自旋原子核处于外磁场中，能够吸收和放出对应频率的电磁辐射，发生磁共振现象。通过探测自旋系综（大于百亿个自旋）的空间及时间平均信号，获取统计平均下物质组成和结构信息。自旋磁共振能够用来准确、快速和无破坏性地获取物质的组成和结构上的信息。
从整个历史发展来看，核磁共振经历很长时间的发展，获得了比较丰硕的研究成果，有很多诺贝尔奖的获得者。核磁共振是上个世纪70年代开始，80年代进入医院。1971年最早实现的成像的方式，是电磁屏的方法来做的，可以用于探测人体疾病。
下面我们来看一下，为什么成像要用到高的磁场？我们可以看到，分辨率和磁场有关系，灵敏度和磁场有关系，弛豫率也和磁场有关系，如果我们把磁场强度做的非常高，分辨率和灵敏度就越高，获得人体信息就更加准确。而核磁共振使用超导磁体，使整个核磁技术达到了一个极致。
图2是磁共振成像系统在世界装机总量的趋势图，可以看出，从2010年到2014年装机总量在快速增长。其中1.5T（特斯拉）的核磁，占有量60%到70%，3.0T装机量有所上升，市场份额20%~30%。还有一些特殊应用的核磁，如图3所示，是各种应用的分布图。
图2 磁共振成像系统在世界装机总量的趋势图
我们知道，要通过超导产生高磁场，需要液氦实现低温环境。在我们国家，液氦大量是靠从美国和欧洲进口，极大的限制了我们国家核磁共振的使用。有消息称，全世界液氦的储存量，仅够整个世界使用26年，这不见得一定准确，但是从整个发展来看，液氦价格越来越高，储量越来越少，所以我们的技术发展，是尽可能使用少量的液氦或者不使用液氦。还有一点，美国从2007年开始，从国家战略层面考虑，限制对国外的液氦出口量。所以现在研究发展方向，第一是非传统的磁共振技术，第二是低温冷却技术的发展，第三是新型超导材料的应用，第四就是高效率的设计和建造。
下面讲一讲我们近几年做的治疗和介入的一些研究。我们知道介入治疗，可以实现最少的创伤获得最大的治疗效果，所以微创介入治疗技术，应该是近年来发展比较快的。我们知道，传统的超声，也可以实现定位，但是它的分辨率比较低，视野比较小，空间位置的信息比较差；
X光和CT也能获得较高分辨力的图像，但是由于存在射线，对医生和病人都将带来极大伤害，所以这种办法也不是太好的方式；磁共振成像具有软组织、神经系统高清晰的显像优势和多参数成像对照的优势，清晰显示治疗范围为手术评估提供了依据，对医生和患者没有射线伤害，所以磁共振实时引导介入手术是发展趋势，已经成为当前国际医学领域的前瞻性技术。
我们来看一下传统的成像方式和现在有什么不一样。传统结构就是圆柱结构，狭长黑暗的隧道，有的病人放进去后会感到很害怕，还有里面的声音比较大，因为是封闭空间，好多病人一进去做了一会就受不了，就不能做了。还有整个系统的体积比较大，液氦使用量大概1500升左右，费用比较高，维护成本也比较高。第二个办法就是建成开放式永磁核磁共振系统，但是磁场强度比较低，图像清晰度比较差，而且很笨重。因此目前急需解决全开放式、高磁场质量、少液氦、低成本制造、易于安装的医学核磁共振系统，实现治疗与诊断一体化。
下面谈一下极高磁场核磁磁体技术国内外研究现状，MRI 从1T（特斯拉）到1.5T向高磁场，例如3T超短腔磁体的发展。低温系统采用小型制冷机技术可以使得低温液体的补充最长达到4年。3T以上的核磁共振成像系统是目前发展的主流，可使用最高磁场11.74T, 17.65T 的MRI
正在研制中。功能成像是目前核磁共振成像技术的重要发展趋势，在人类疾病的早期诊断方面起着越来越重要的作用，特别是在脑部、胸部、关节、动物成像。磁共振向更高磁场的方向发展，例如，900MHz~1.3GHz。低磁场磁共振主要向超屏蔽结构、长时间的低温运行，更高分辨率等方向发展。低温技术向零挥发低温系统、传导冷却的低温技术和不可见低温系统发展。
从低场到高场磁体系统的建造，可以看到，系统的形状和结构都在变化。我们现在研制的实际系统，磁场是9.4T，孔径800mm，长3500mm，在30厘米的球形范围内，均匀度大概是0.1ppm。我们来看，究竟未来的磁体，到底能做到多高的磁场，现在我们画的几个线，第一个线是10T以下，我们用NbTi，
15T左右，我们使用NbTi+Nb3Sn，进一步到了25T左右，就要使用NbTi+Nb3Sn+高温超导。美国的MIT做了实验，就是利用现有的技术组合在一起，可以产生100 T，材料的特性理论上来讲没有问题的，怎么从技术方面解决这个问题，可能是今后几十年比较重要的发展趋势。
下面讲一下高温超导成像的研究和发展，高温超导材料近几年来已经达到工业化的规模，其最大的优势是临界温度和临界磁场比较高。图4所示是意大利公司做的开放式的核磁共振系统，下面是连在一起的，安装在医院埋在地下看不到的。病人可以站在里面成像，也可以躺在里面成像，还可以实现多体位的成像，现在也卖了几台，但是因为造价相对来说比较高，所以现在也只能做到这么一个水平，现在优势不是特别大，如果他的造价能够进一步减少的话，应该是未来应用的一个方向。
图4 意大利公司做的开放式的核磁共振系统，
第二个就是Bi2223高温超导MRI系统，图5是德国西门子最早开发的MRI系统，做成了之后，有一个线圈烧掉了，因为高温超导线圈的不可恢复性，容易损害，造价相对来说比较高。再有就是YBCO高温超导MRI系统。如图6，这是日本人做的Bi2223脑功能成像系统，可以坐在下面，脑袋伸进里面去，同时可以做别的事情看书等等，比较休闲。这是头部和关节成像，比较了一下，整个的体积大幅度缩小。
图5 德国西门子最早开发的MRI系统
下面介绍一下我们最近做的微创介入治疗的一个装置，我们知道，介入治疗，就是利用磁场的办法来实现对人体进行从外到里的介入治疗，其优势在于，避免心脏穿孔，减少并发症，跨省市远程操作、多台手术同时进行。
传统的介入方式，是把人体大的导管打开，然后推到人体里面或者心脏或者某个位置，但是这种推，对动脉血管等比较大比较直的血管没有问题，但是头部的血管太丰富了，推了之后有一些拐弯的地方和十字交叉的地方没有办法推进去，常规介入方式没有办法解决这个问题。我们现在发展磁导航介入办法，在外面加一个磁场，把人放到里面去，在人体内植一个很小的磁块，外界的磁场和小磁块的作用力，可以改变磁块的方向，这样任何复杂的路径都可以实现。表1列出了永磁导航和电磁导航的比较，永磁体导航，可以调节磁场的方位，改变磁场方向，但是操作反应时间慢，推送和牵拉需要推进器，磁场强度弱，需要稀土，需要磁屏蔽；而电磁操作反应时间快，推送和牵拉不需要推进器，磁场强度强，不需要稀土和磁屏蔽，并且磁场开关可控。
最后讲一个结论，从整个核磁技术的发展来看，最早的磁场比较低，现在发展的高磁场、开放式结构等。目前，全世界共有2.2万台核磁共振成像仪在使用中，每年有超过6000万次人次使用该技术进行诊断。超导技术和计算机的进步使得核磁共振成像更快更清晰，甚至连心脏冠状动脉照影也可以做了。今后，核磁共振成像技术也仍然要在这两个方面去做进一步的研究和提高。开放式超导磁共振成像系统，具有诊断与治疗一体化功能，具有较大的市场潜力，追求1.5T的大开放结构是未来的重要发展方向。高温超导磁共振成像目前停留在样机阶段，随着成本、工艺的改进可以取代传统的超导磁体系统。动物与人体功能成像需要较高的磁场，高级数学优化设计、电磁分析有关复杂构型系统理论与方法研究，是实现高性能成像系统的关键，新型的磁体工艺与成像软件技术的发展使得图像质量能够大幅度的改善。新型的强磁场外科介入医学应用潜力巨大（MSS，MFS）整机系统处在商业化的阶段，磁性靶向治疗与磁学的结合形成新型的高效微创治疗，对于人类疾病的诊断将会带来革命性的改变。
我的报告汇报完了，谢谢大家！
1、高家红：高场神经元放电功能磁共振成像
今天很高兴参加这个沙龙研讨会。我讲的是神经元放电磁共振成像技术。磁共振这个领域，刚才王老师介绍的非常细致、全面。从磁共振发展历史来看，有三个重要里程碑，第一个里程碑是1946年，斯坦福和哈佛大学的物理学家同时独立发现磁共振现象，这个发现获得了诺贝尔物理学奖。第二个里程碑是1973年磁共振第一次被引入到成像领域，工作是由美国科学家Lauterber和英国科学家Mansfield完成，他们两位也因为该项工作获得了诺贝尔医学奖。到了1991年，磁共振技术往前又迈出了一大步，从结构成像变成脑功能成像，是美国哈佛大学和美国贝尔实验室的科学家完成的工作，这是第三个里程碑。谈到咱们中国人，真正在历史上能留下卓越学术地位的，到今天为止可能只有一个人，虞福春。虞先生建国初期在美国拿到博士学位后立刻回国参加新中国的建设。回国后一直在北大物理系工作，曾经当过系主任。他最大的工作成就是发现了磁共振中的化学位移现象，如果磁共振没有化学位移现象，其应用将大大受限，因为有了化学位移现象，我们才能看到很多以前看不到的东西。这个工作非常了不起，这个工作如果继续做下去是可以拿诺贝尔奖的，但他后来不做这方面工作了，后来是瑞典科学家Ernst在这个工作基础上获得了诺贝尔奖，很可惜。
刚才王老师已经介绍了磁共振图像对软组织表现非常好，我专门介绍一下脑功能成像。脑功能成像是干什么的？我们大家知道，人类对自身的认识在有些方面是非常成熟的，像心脏的功能。但是有一个东西大家还不是很清楚，就是大脑的认知功能。为什么有些人聪明有些人不聪明，为什么有些人得了老年痴呆症有的人不得，我们人类还不知道。人类对物质世界的认识是非常成功的，但是对自身精神世界的认识还刚起步，还处于婴儿阶段，进步比较慢是因为没有好的研究工具。多少年来，大家一直想找一个比较敏感的工具来研究脑功能。脑功能是怎么体现的？神经元活动的表现之一就是脑的电磁现象，比如手指动一动或者说一句话，都是不同的神经元在进行控制，神经元在控制的时候会有电磁反映，大脑里面的电磁会有作用，这个电磁作用，也可以反映到血流血氧动力学变化。
假如现在看电影，大脑哪个部位来认识电影的画面？你的大脑视觉神经系统参与了这个过程，观看电影时视觉系统非常活跃，而其它部位与视觉没有关系所以没有其它活动，只有视觉神经跟视觉神经有关的神经元会放电，其它的地方不放电。这个放电表示什么意思呢？就是大脑局部放电，放电需要能量供给，能量哪来的？血流血氧把能量带给神经元，使神经元进行葡萄糖代谢。神经元活动的地方，血流血氧会发生变化，电磁是直接效应，血流血氧是二级效应而不是直接效应。血流血氧动力学反应表示神经元在活动，怎么观测？有两种不同的技术，一种是测量血流血氧动力学反应的技术，即直接测量血液动力学反应的技术，血流血氧研究中有PET、MRI、光学成像；另一种是脑电图，这两种不同的技术，一种看血流血氧，一种对电磁反应非常敏感。
脑血流跟神经元活动有关系这个现象，原理早在1800年就被意大利科学家发现了。意大利的外科手术医生Angelomosso做了一个像天平一样的装置，把它放在人体的某个地方就能测到该处的血流，这是很厉害的技术，放到头上可以测到大脑的血流，放在手背可以测手背的血流。他做了一个实验，躺在那里不动，静止状态，发现手背上的血流，随着时间的变化没有变化，大脑的血流随时间也不怎么变，即血流在手背上和大脑在静息状态时都是不变的。当给他一种刺激，例如在某一时刻比如听到教堂的钟声的时候，手背上的血流依然不变还是平的，但是大脑的血流增加了，这是第一个发现脑血流和外界的刺激有很强的相关性的实验。从那以后他又做了一个认知实验，让一个人做一道算数题，如8除以12等于多少？心算时手背血液不变，大脑的血流在心算的时候开始起变化，所以这个实验证明了大脑里的血流跟大脑的一些功能活动是紧密相关的。这是最早的一个实验，证实了两者的关系，虽然那个时候还没有很好的成像工具，但是他已经开始想到一些东西了，非常了不起。
现在我们做脑功能的实验已经不用他的天平了，今天用的是功能磁共振成像这个技术。这是哈佛大学和贝尔实验室发明的，他们的神经科学研究和脑科学研究非常了不起，其中有一些人，可能是将来拿诺贝尔奖的热门人选，特别Ogawa这个人，他做得非常好。
今天功能磁共振成像已经普遍用到很多很多的脑功能应用方面。举个例子来说，脑外科手术定位。我们知道磁共振可以定位什么神经发生了活动。比如这个人有一个肿瘤，肿瘤区域可能靠近语言区，可能靠近运动区，也可能靠近听觉区。根据这些肿瘤的位置，我们想用磁共振的方法把病人主要的功能区进行定位，比如这个肿瘤可能在运动区，我们让他躺在磁场中让他做运动，找出大脑的哪些神经元是管运动的，如图像上有彩色的地方管运动功能，白的地方是脑肿瘤区域。这就给医生提供了一些帮助，指导医生怎么下刀，下刀不要碰到这些彩色的区域，否则贸然下刀，肿瘤被切除了，运动功能的脑区也被切除了，病人就会半身不遂或者瘫痪。这个非常重要，也非常有用。
另外，比如说有些人毒品上瘾，我们可以通过磁共振的方法，把他上瘾脑区定位出来，到底哪个地方吸食毒品的时候神经元最活跃，可以手术切除活跃的脑区，或者吃一种药只对那个脑区进行抑制，不让他老想着吸食毒品。
定位的方法可以为治疗提供方案。比如小孩多动症，他哪个脑区和正常人不一样，可以用吃药或者神经调制的方法使他减少多动，很多神经科学与脑疾病有关，可以帮助理解它的原因，在治疗的时候提供一些有效的帮助是非常有用的。
功能磁共振非常有用，但这个技术本身还不完美。磁共振成像做脑功能有两个大的问题，非常严重的问题。第一个问题是定位不够准确。我们刚才说的磁共振成像，就是血流的磁共振成像。找这个位置的时候，现有的磁共振成像定位是大一团，而放电是局部非常小的地方。这个问题是什么呢？就是你照出来的像，比真实神经元放电大了很多，激活区变大了。为什么呢？因为它是看血流血氧的变化而不是直接看电磁活动。血流血氧是干什么的？面积为什么增加？举一个浅显的例子，花园里种了一株花，这个花能存活有两大要素，一个是需要阳光照射，另一个是要有水，不然会枯死。浇水的时候把水撒到花上，但是水不仅仅在花上，也在附近的土里流动，浇水的花的周围也都是水了。同样神经元像花一样，需要供血对它浇灌，可是这个血液回蔓延到附近的区域。如果你的成像技术只是对水流或者水进行照相，你看到水和花的图像不能画等号。水的图像比花的图像要大，这个问题很严重，如果变得很大，本来没那么大的区域，外科手术下刀的时候就不敢乱切。
第二个问题是不能实时检测。神经元放电是瞬时的，我一拳打过来，你马上就躲了，大概就是几十毫秒，就是说神经元活动在几十毫秒，反应很快。但我们的血流没有那么快，一拳打过来，电信号大概几十毫秒，但是血流是慢慢增加的。用血流的磁共振技术来定位，最大的弊端一是定位扩大化不准确，第二是时间不能实时检测你的神经元活动。这两个弊端都源自于根本的物理原因。这是技术本身的限制，是无解的。替代的技术就是脑电图，这也有多少年的历史了，带上帽子，这个帽子是一个电极，脑电活动的时候，电极就可以接收到信号，毫秒量级，反应非常快，时间分辨率非常高。缺点是什么？你注意一下这是电极电信号，在一个地方放一个电极，有一个位置作为对比，这个地方的电流和电压是大脑各处电流电压的整个叠加。大脑有很多地方在放电，都可以对这个点产生贡献。内部什么地方放电你是不知道的。你能测到电流变化，但是不知道为什么变化，位置不准，不知道电流电压是从脑的哪个地方出来的。但是放了很多电极，得到很多的时间曲线后，你可能通过模型来算一下、猜测一下到底哪些部分的在放电，放电的神经元来自何处。但是我们知道大脑神经元有几十亿个，哪个放电预先不知道，放在大脑表面的电极大概有64或者128个通道，128个已知函数，推测几十亿的未知数，这个模型有无穷多解。所以这个技术，在时间上非常有效，但是不知道在哪放电，神经元来自何处，这是该技术的缺陷。另外一个技术是脑磁图，在头皮上放置线圈，可以看到微弱的磁场变化。这两个技术是一样的，都只能看到时间变化，但不知道变化来自大脑的哪一部分。
现在有没有一种技术，既能看时间又能在空间定位上比较准呢？这个问题就是我们能不能用磁共振成像来直接测量电磁活动，而不是间接通过观察血流血氧变化。对电磁的变化，磁共振从原理上来说是可以观察的。电磁变化可以产生磁共振的信号变化，这是我们老祖宗已经告诉我们了，所以原理上是可行的。磁共振有一个最大的问题，即灵敏度不高。为什么呢？因为我们身体上有很多自旋，但是真正能够贡献给磁共振自旋只是百万分之一，我们知道自旋在磁场里面有正方向、逆方向，两个方向基本相当，它们的分配是比较均匀的。但是因为热力学效应，有一个小小的差别，这个差别大概百万分之一，一百万里面只有一个对磁共振信号做贡献，大部分不做贡献，所以灵敏度非常低。所以我们虽然原理上说是可行的，但是灵敏度太低。为了研究磁共振的灵敏度，我们很多人做了模型的计算，发现信号变化不到1nT（纳特），不同的假设，不同的模型，最好的情况是1nT，不好的情况是10－5nT。我们做的模型是所有同步放电情况下最好的信号，或者只有一个放电是最不好的信号，在这种情况下你比较一下，跨度非常大，那么我们磁共振灵敏度能达到什么地方？可以到0.1，如果是信号变化0.1的话，我们磁共振成像可以探测到，如果是10－5次方则无能为力，所以磁共振有可能观察到也有可能观察不到，就看实际的信号在哪一边。所以我们实际上也不太清楚大脑到底多少神经元放电，只能估计好的情况和坏的情况，到底什么情况不知道，我们要做实验。
这就是实验的结果，人脑的神经元实验94年就开始有人探索，结果是负面的，说观察不着，灵敏度不够，这是他的结论。1999年有个日本人说他们观察到了，这个工作发表到IEEE上面。09年我们实验室号称可以用磁共振的方法观察到神经元。2003年以后，很多实验室蜂拥而至，大家都去做，结果是什么呢？有的做出来了，得出正面结果，表示他做出来了，有的实验室花了很大力做不出来。磁共振成像能不能看到神经元活动，现在为止是有争议的。还有其它的技术，也是众说纷纭不清楚，现在为止还是无解，没有客观标准。
这个问题出在什么地方？人脑磁共振成像，实验上两个挑战。第一个是血流信号的干扰，神经元放电同时血流血氧跟着后面就来了，血流血氧也会产生对信号变化的干扰，这个信号的干扰比神经元还要大。我们说最好的方式是1%，一个信号本身不好的情况是1%~2%，我们平常做的时候非常高，信号干扰非常大。第二个是神经元放电的时间，我们人脑实验中，你不知道它什么时候放电，只能大概估计什么时候放电。如果不在放电时采集，就得不到数据。成像就是琢磨和碰巧，所以实验有可能成功有可能失败，捕捉到放电的时刻非常关键。怎么办呢？拿人很难做，不能把人的血掐住，也不可能打开头骨看它什么时候放电，这都是破坏性的。我们会想到做动物实验，什么时候放电都知道。我们实验做了一些乌龟的实验，神经元照常放电但死不了，结果不理想，发现在没有血的情况下，磁共振观察不到神经元放电。后来我们做章鱼的实验，也是一样的，不割脑，章鱼的血不是血红蛋白的元素，没有信号，所以用它做出来的结果也是看不着神经元放电的地方。动物实验证明了，以前做的东西都可能是成像造成的。但是柳暗花明又一村，咱们做人的实验也好，动物的实验也好，都是跨越太快，为什么呢？就是我们磁共振成像，脑电，它的放电磁场是多少，我们是有数的，是0.1nT，我们是知道的，我们的磁共振能不能观察到0.1nT的大小这样的实验没人做。我们就用线圈做了一个模型，做了这个实验，这个实验非常重要，证明磁共振灵敏度能不能达到测量脑磁场的效果。这个想法最早是哈佛大学跟加州大学伯克利分校提出的，用来测量电压和磁场，他们的结果不是特别理想，他们用的系统最大灵敏度到10nT，而信号最大是1nT。我们知道，脑的磁场是0.1nT，所以他的技术测量不到神经元活动的磁场。现在我们现在技术上已经可以观察到0.25nT，就是在动物上面，接近了神经元活动的区域。结论，神经元放电能同时达到较高的时空分辨率，是一种理想的方法，神经元放电将是今后几年重大的脑科学领域研究。
2、杨文晖：现代磁共振成像系统梯度技术的特点及其对成像特性的影响
各位老师，各位专家，我就磁共振成像一个局部的技术，就是磁共振成像中的梯度技术，给大家汇报一下。梯度技术是磁共振成像最关键的技术之一，这个技术由是劳得伯发明的，他也获得了诺奖。梯度技术存在什么问题，从下面几个方面来介绍。
整个磁共振系统包括四个主要部分，磁体，还有梯度系统、射频系统、谱仪控制台等。梯度系统包含梯度线圈和梯度功率放大器等。在一个绝对均匀的磁场中，只能获得单一频率的磁共振信号，没有空间定位的功能，所以要引入梯度技术。梯度分XYZ三个方向，梯度磁场强度沿着这三个方向变化，但是梯度磁场始终指向Z方向。梯度系统的设计，首先要考虑它的梯度磁场强度和效率，另外还有其他的性能，比如梯度切换率多高，目前的梯度系统技术有很高的水平，现在我们做的9.4T（特斯拉）的系统，到了每米40mT的水平，现在到60mT和80mT都有，但是40mT比较高了。另外它的切换率很高，由于它做代谢成像，要求回波时间很短，切换率达到400T每米每秒(400T/(m.s))，这是9.4T的指标，当然这么高的切换率会带来一些问题。
梯度磁场的作用是获取空间信息，才能产生图像。为什么要产生很大的梯度？根据计算公式，我们所需要的成像需要很快采集信号的话，它的梯度磁场非常高，比如我们采用带宽200KHz的话，我们需要达到每米47mT。相位编码不断累积采集的过程，也是成像慢的原因之一，要采集每一条线，最多秒级，采集N多条线，加起来很长，这是磁共振成像的特点，但是也没有办法的。采集的线少，图像就模糊，随着你采集的矩阵越来越大的话，图像越来越清晰。当然梯度的作用除了编码以外，还有一些其他功能，比如作为流动补偿，还有扩散等，这些东西都需要大的梯度。我们怎么来实现大的梯度，这个所谓的“大”也有两层意思，一个大的梯度强度，第二个大的切换率，主要是通过线圈设计和高功率的功率放大器驱动来实现的，还有梯度脉冲这么大有没有问题，对人体安全有没有什么问题。
一般梯度线圈主要分为平板式的线圈和筒形线圈，我们开放式的磁体里面放置的是平板式的梯度线圈，超导的水平磁场里面放置的是筒形线圈。梯度技术设计的要素也分了几部分，一个要素是线性度，当梯度的线性度不好时，图像会变形。除了线性度、梯度强度和爬升率以外，还有其他的因素也会影响最终的成像效果，比如涡流到底怎么样，这也是很关键的东西。老式的平板梯度线圈，采用的是D型线圈，它在零平面的磁场分布是不够好的，另外他的面积相对比较大，电感也较大。现在所采用的设计方法，梯度线圈的形状，绕组的分布很像人手上的指纹，所以一般叫“指纹式”线圈。
线圈是很重要的问题，除了刚才说的强度和效率以外，还有涡流问题，涡流到目前为止还是影响磁共振成像很重要的因素。不管什么磁体，都需要对涡流进行很精细的矫正才能获得很好的成像结果。在筒形线圈设计上，通常采用全屏蔽的结构，防止梯度磁通到金属结构里面去。在永磁体上的梯度线圈，若采用全屏蔽结构，需要把永磁体的极面间距拉的很开，这样成本将是非常高，比如对于0.35T的永磁体，如果采用全屏蔽结构，将会增加1.2吨的磁钢用量，现在的价格大概20万，磁体本身就有70多万，增加20万对于厂家来说是不可接受的，因此永磁体很少采用全屏蔽的结构，一般是采用部分屏蔽的结构，比如我们实验室设计的一些实际的平板线圈，涡流屏蔽的效果还是不错的。
目前我们做的超导磁体用的梯度线圈，效率要求很高，切换率非常高，强度也非常高，实际上想达到这样的水平很困难的。所以我们做了一些实验。我们实际制作的一个成品线圈，大概今年年底完成。我们对线圈的测试表明，它的上升时间达到100us，他的性能应该说达到了很高的要求。早期的梯度线圈存在涡流问题，很多高级序列是运行不了的，比如获诺奖这个人，发明了EPI成像序列，但是早期一直没有得到应用，也是受制于这方面的问题。怎么抑制涡流，要在线圈设计时注意。有些东西也不是单靠线圈设计就能够解决的，比如说在永磁体中，如果不对极板做一些设计，涡流是非常大的，一个好的极板设计本身就能够有比较好的涡流屏蔽效果。同时，一般还需要在梯度脉冲上增加涡流补偿，不加这个的话，一些序列如快速自旋回波序列成像的效果就不够好，而正确地施加涡流补偿就能够得到比较好的效果。涡流对成像影响的图像，当涡流比较大或者补偿不太好的时候很明显的有伪影，补偿以后图像就变得非常漂亮，这也是目前实际上涡流抑制很重要的方面。
对于涡流抑制和补偿，一般都能达到比较好的结果。现在想说一个问题，梯度强度非常大，切换率非常高，又有大电流高电压，这时会有一个安全的问题，首先有一个体感刺激的问题，是切换速度太大对人体有刺激，国家标准专门做了限定；另外你的噪音很大，进去以后人受不了，标准也做了限定。温度也是问题，发热太高人在里面受不了。所以相关这些标准，国家都做了很明确的限定，所有临床的东西，都要遵从这个标准去研究和设计，不能超过这些标准。这就是目前有关梯度系统的一些情况。现代的梯度系统，曾经遇到过一些问题，以后可能还会遇到一些新的问题，还会面临一些不断需要解决的技术难题我就汇报到这么多。
吴石增：感谢三位专家做了很精彩的报告。下面自由发言。
严陆光：这几个报告，王秋良我们比较熟悉，多年来一直是搞超导的技术和应用，这次沙龙活动，把面打开了一下，现在找到一个很重要的方向，高场磁共振成象的应用，很好。第二个意见，可以把报告的技术再加强一点。往往技术本身发展重要的东西做一些简要的叙述以后，与各种各样的对象结合，大家能够提出一些意见。这个方向是对的，强磁场要发展下去，医学应用要发展下去，强磁场工艺要非常努力地做，同时医学医疗各方面应用，也要做好。
董增仁：对高场来说，全世界11T（特斯拉）以上的已有，但是我们能做到9.4T的人体成像的磁体，在国内还是第一，应该说做得很好，现在还正在做。听了这个报告，我挺高兴，挺激动。为什么呢？上世纪80年代，86年、87年时，中国第一台磁共振磁体是我们电工所搞出来的，场强0.16T。86年到现在，近30年了，现在看到我们所要搞出9.4T超导磁体，磁场高了近60倍，水平大大提高了。1995年永磁应用室成立时，磁共振成像系统开题，开辟了磁共振方向，因为我们那个时候没钱，跟外边工厂合作坚持要搞磁共振成像，包括杨文晖就是这么成长起来的。现在又发展了，王秋良搞了0.7T超导电磁磁体，相当高了，1.5T的，现在又发展到9.4T，所以我对这个很感兴趣。因为磁场高，信号就强，时间就短。还有所谓梯度，大家有的不知道为什么要梯度，要这个梯度干吗呢？因为均匀磁场成不了像，不均匀磁场才能成像，梯度是用来空间编码的，用了三维梯度以后，（三个梯度磁场都是一个方向），梯度就是变化率，三个方向的变化率，空间的每一点，他都有一个独特的磁共振信号，采集回来以后，图像重建，为什么要线性度好呢？因为要是不好的话，空间（0，1，2）位置的信号就会变到（0，2，2）这一来，那就乱套了，张三不是张三，所以这个梯度技术必需要的。我们两个部分，一个主要磁场，第二个梯度，还有什么谱仪控制等。我是支持这项工作，这个方向也很好。
吴石增：我提点想法，王秋良研究员做的高磁场磁共振技术的报告，肯定对提高磁共振成像技术的性能和指标存在很多优越性，这个前途也是很明显的，是对医学成像技术的发展。有一个问题，这个磁场强度是不是也是有一定的限制，人体对于磁场的承受能力，到底是多少呢？现在有没有说法？
杨文晖：美国提出的限制指标是8T。
高家红：做了很多动物实验，细胞的培养实验，放了24小时或者十几个小时，对细胞有没有损害，结论磁场损害不大。但是人进去和出来移动式损害较大，所以进磁场要慢慢进去。
董增仁：电磁感应，做的时候要注意。
高家红：快的话，大脑晕，感觉不太好，受不了，有点晕眩的感觉，要晕过去。
董增仁：所以也不是越高越好。
吴石增：指标性能是越高越好，关键人体的耐受和承受，这个应该也是要注意的一个问题。
李致杰：探测有X光，有超声，还有磁共振，他们是基于不同的物理原理，X光基本上是投影；超声是一种声波的反射。但是我认为，磁共振在医学领域，应用更广阔。我也有一个问题，我们做X光检测的时候，X光的强度有一个限制，X光的强度和你照射的时间都有限制。我们强磁场下，静态的磁场是不是也应该有保护的限制，要是太高了，人可能就受不了，电子在磁场中运动，有感应电动势。理论上，如果我们磁场做得很强，呼吸心跳都会有影响，所以他肯定要有一个上限。
董增仁：以前说不能超3 T，现在说8 T，高场对特殊的研究，更清楚，功能成像，更快。
李致杰：另外我觉得磁场做梯度场也是挺麻烦挺难的。
杨文晖：梯度本身不是很困难，但是做到比9.4T更高的话强度太大了，很麻烦，一个是线圈本身设计，二是放大器，我们现在用的放大器是两千一百多的，高压的，以前还没有这个放大器。没有这个东西做不上去。
李致杰：另外，高老师讲的，我觉得磁共振在认知科学上，在解析大脑方面，将来有广阔的应用前景。
高家红：刚才老师说得对，咱们做高场的目标是什么？是医学应用，其中非常重要的医学应用是脑功能成像。脑功能各个信号变化，包括刚才说的梯度变化，是非常小的，需要很高的灵敏度。王秋良做的东西，有两个用途，一个是脑功能成像，还有一个是代谢组学成像。代谢，也是灵敏度问题，两个神经元产生的变化很小，代谢很小，高场才能实现成像，方向肯定对的。从结构到功能，到化学的代谢，这个是发展的趋势，走的路非常对，而且国内只有电工所可以做这个事情。到现在为止，电工所的力量最强大，做高场磁场，包括刚才王秋良介绍的这些。以前都是CT、超声波，现在改成磁共振，因为对人体生命更重视了，CT老是做会产生肿瘤，如果是不好的脑肿瘤，再CT照射一下太危险了。所以王秋良方向是对的，你早期的方向很有洞察力，终于找到实用的地方，医学上会认可的。刚才说咱们人身体的内部，脑疾病是很重要的，脑疾病现在没有什么方法准确的治疗，凭你自己说，没有办法客观标准去做，如果我们找到很好的成像技术，客观的告诉你是不是装病，装疯卖傻，包括你是不是说谎，都可以通过这种机器来做。以前测谎仪看你心脏的活动，跳的怎么样，出不出汗，但是他脸不红心不跳，你就没法子。说谎不是心脏在说谎，是大脑在说谎，所以看心脏的信号靠不住的，最好直接发现说谎的源头什么地方。还有可笑的地方，说女孩子老是问男的，你是不是真的爱我，那男的就说我很爱你，这个东西都是随便说说的。但是脑功能成像就能探测出来你对这个女孩子爱是不是真的。大脑是不能说谎的。
吴石增：如果能辨别人思维的真假，那是飞跃性的发展。核磁共振的功能成像是不是只限制于脑？
高家红：一般是指脑成像，但是这种技术可以用在身体各个部位，比如对心脏也叫功能成像，可以看到心脏的膨胀和压缩，心脏的一些放电规律可以用它研究。其他的比较静态，比如肌肉的一些化学功能，也是磁共振方法研究的东西。肌肉的代谢磁共振正在做，但是代谢因为不是高场，灵敏度很低，他的微量元素，比如碳13或者14，非常微量就看不到。可以提升灵敏度，到高场上去做，但是高场技术难度比较大，能做的人太少了；成本太高了，即使能做出来，大家买不起也用不起。当时芝加哥大学校搞了一台9.4T，花了一千六百万美金。那台机器是GE仪器公司与芝加哥分校合作做的，我感觉不是特别成功，老是坏，对外开放程度不高，老是修机器，不是很成熟。主流的产品7T国内有两台，一台在科学院生物研究所，另外一台浙江大学刚买的没有装上。第一台机器，也是毛病不断，真用的话是不行的，因为技术本身不成熟。现在7T相当于20年前3T的情况，遇到很多技术屏障，技术屏障解决了以后，很多功能和应用就可以实现了。所以就靠咱们电工所把高场给搞上去，为中国争气，为人类健康提供帮助。
刘国强：高老师，去年5月份在香山会议听您做报告，现在0.25nT(纳特)是用模型做的，还是用动物做的？如果是用模型做的话，这个模型本身是否考虑到加上噪声？
高家红：我们先做一个模型，加一个单线圈，已知电场是多少，通过计算知道每个位置的大小，单线圈的电流可以算磁场，中心磁场比如0.1nT，在我的模型上没有任何问题。然后延伸到动物上面，在小老鼠的头上绕一个线圈，产生0.25nT的磁场，这个也可以观察到。我也做了人头，基本上0.25nT，不断地往前进。但是都是外形的磁场，但是终极目标想看他本身的磁场，但这是我第一步要做。
刘国强：线圈做多大，磁共振能测得多大的磁场之后就可以真正应用了？
高家红：我感觉灵敏度再往下走一级就行，我们知道人体的磁场0.1nT到1nT，模型测到了0.1nT，但是要考虑线圈产生的磁场的特殊性。
刘国强：如果考虑到头部电导率的影响，是否还能测到信号？
高家红：0.25nT，就差一点，这个东西，我们3T上做的，下一步做到4T，灵敏度大大提高，原理上可以人上面应用了。高场上可以，低场还是不行。
李致杰：我还有一个问题要问王老师，就是说你工作的磁体里面的磁场强度的分布，是一个均匀的还是不均匀的？
王秋良：就是小范围的，50厘米的范围之内。
李致杰：我想什么问题呢？因为刚才吴老师提了，磁场强度太强了应该有限制，你说的，超过8T人体受不了。你磁场能不能聚焦和叠加呢？比如我两对磁体，中间的磁场强度能不能叠加呢？
王秋良：外面看一个磁体，实际上里面很多很多的线圈组合在一起才能达到，所以每个线圈叠加在一起达到这么一个效果。他有一个范围的。
王秋良：聚焦到一个点很难。
李致杰：就是如果磁场在空间上能够叠加，那我觉得这个就应该能做到。
刘国强：您说电磁波比较容易聚焦，但是静磁场是一种场，聚焦比较困难，比如一点强其它弱比较困难。
李致杰：两个磁场能不能叠加？
刘国强：现在就是这样做。
李致杰：这样的叠加做多了，是不是就可以把局部磁场做得很强？
桂文庄：磁场强度和距离成反比，磁场是在整个空间叠加的，不能只加到某一点上去。
