Ob 30 Millionen oder 2,6 Millionen Menschen: Welchen Nutzen können im Inland produzierte MRT-Geräte den Menschen bringen?

Revisionsexperte: Meng Meng

Assoziierter Forscher, Institut für Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Vor einiger Zeit wurde wahrscheinlich jedes Mobiltelefon mit einer Neuigkeit überflutet: Geräte zur Kernspintomographie für den Heimgebrauch wurden in Massenproduktion hergestellt. Laut einschlägigen Nachrichtenberichten ist der Preis für entsprechende Geräte von über 30 Millionen auf weniger als 3 Millionen gesunken, ein Rückgang von über 90 %.

Seit Beginn des 21. Jahrhunderts wurden kontinuierlich Durchbrüche bei der magnetischen Feldstärke, den linearen Magnetindikatoren usw. erzielt, sodass die Kernspinresonanztechnologie nicht mehr auf Labore beschränkt ist, sondern allmählich in den medizinischen Bereich vordringt und zu einer wichtigen modernen medizinischen Testmethode wird.

Jeder hat schon von MRT gehört und viele Menschen haben es bei Kontrolluntersuchungen selbst erlebt. Doch was ist das Prinzip hinter der MRT? Welche Vorteile bringt uns die heimische Produktion von Kernspinresonanzgeräten?

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Was ist NMR?

Um die atomare Struktur und die physikalischen Eigenschaften von Materie zu untersuchen, konstruieren Menschen ein starkes externes Magnetfeld, um die meisten Atome auszurichten, und wenden elektromagnetische Impulse unterschiedlicher Bänder an, damit sie im Spektrum unterschiedliche Informationen darstellen . Diese spektroskopische Methode wird als Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) bezeichnet. Mit dieser Methode werden Informationen auf atomarer Ebene gewonnen, sodass die elementare Zusammensetzung und Struktur verschiedener Substanzen qualitativ analysiert werden können.

Quelle | "Analyse des Kernspinresonanzspektrums"

Die Kernspinresonanztechnologie wird in vielen Bereichen breit eingesetzt. In der chemischen Industrie kann mithilfe der Kernspinresonanztechnologie genau festgestellt werden, ob der im Raketentriebwerk geladene Treibstoff defekt ist, und die Verteilung verschiedener Substanzen klar verstanden werden. Im Bereich der geologischen Exploration kann die Kernspinresonanztechnologie in kurzer Zeit und nahezu ohne Auswirkungen auf die geologischen Informationen oder die Ressourcenverteilung im Bergbaugebiet Aufschluss geben. Durch die Anwendung der Kernspinresonanztechnologie konnte die Effizienz der Rohstofferkundung deutlich verbessert, die Unfallrate gesenkt, Kosten eingespart und die Modernisierung und Informationsbasis vieler Branchen verbessert werden. Im medizinischen Bereich kommen wir üblicherweise mit der Magnetresonanztomographie (MRT) in Berührung.

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Was ist das Prinzip der medizinischen MRT?

Die Entwicklung der Physik ist bis zu einem gewissen Grad ein Prozess der kontinuierlichen Unterteilung der Materie. Klassische Physiker glaubten, dass das Atom die kleinste Einheit der Materie sei. Bei ihren weiteren Untersuchungen zu den Grundlagen der Atome haben Wissenschaftler entdeckt, dass diese in kleinere Teilchen, nämlich Protonen, Neutronen und Elektronen, zerlegt werden können.

Hinsichtlich der Teilchenzusammensetzung sind Neutronen ungeladen, Atomkerne positiv und Elektronen negativ geladen. Elektronen werden von Protonen im Kern angezogen und die positiven und negativen Ladungen der beiden heben sich gegenseitig auf. Die Anzahl der Neutronen kann Null sein, sodass das Atom als Ganzes elektrisch neutral ist. Protonen und Neutronen bilden den Atomkern im Zentrum des Atoms, Elektronen umkreisen den Atomkern außen.

Darüber hinaus wissen wir alle, dass der Wassergehalt in unserem Körper bis zu 70 % betragen kann. Im Allgemeinen verwenden wir H2O, um ein Wassermolekül darzustellen. Wir können sehen, dass es nur ein Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatome enthält und seine Form dem Kopf der Zeichentrickfigur Mickey Mouse ähnelt.

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Unter ihnen besteht der Kern eines Wasserstoffatoms nur aus einem Proton. Betrachtet man ein Proton als Kugel, so rotiert es wie ein Himmelskörper im Universum um eine Gerade, die durch den Mittelpunkt der Kugel verläuft. Protonen sind geladen und die Bewegung geladener Teilchen erzeugt ein Magnetfeld, das durch die Rotation des Kerns einen Kernmagneten bildet.

Quelle | Einführung in das Kernspinresonanzinstrument

Wenn eine Person in einem Kernspinresonanzgerät liegt, durchdringt das von dem Gerät erzeugte Magnetfeld, das zehntausendmal stärker ist als das Magnetfeld der Erde, den menschlichen Körper und bewirkt, dass sich mehr als die Hälfte der Atome in einer bestimmten Richtung anordnen. Die verbleibenden, weniger „gutmütigen“ Atome präzedieren dann in diese Richtung (ähnlich wie ein sich drehendes Fahrradrad von einer Seite zur anderen schwingt).

Untersuchungen haben gezeigt, dass die Frequenz dieser Präzession proportional zur Größe des externen Magnetfelds ist. Wenn daher ein Instrument verwendet wird, um ein Magnetfeld anzuwenden, das sich von Kopf bis Fuß linear ändert, ändert sich auch die Präzessionsfrequenz jeder axialen Position des menschlichen Körpers linear .

In dieser Hinsicht ist der menschliche Körper wie eine Pipa. Die vom Instrument ausgesendeten elektromagnetischen Impulse unterschiedlicher Wellenlänge werden von den Fingern erzeugt, die die Saiten zupfen. Durch den Druck der Finger werden die Saiten verformt und geben beim Loslassen der Finger einen „Klang“ nach außen ab. Diese „Geräusche“ können mit professionellen Geräten analysiert werden, um eine Fülle von Informationen über den menschlichen Körper zu erhalten.

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Wie inländische Kernspinresonanzinstrumente an Bedeutung gewannen

Um die Atome im menschlichen Körper „gehorsam“ zu machen, bedarf es, wie oben erwähnt, einer Anlage zum Aufbau eines starken Magnetfelds, wofür extrem hohe elektrische Stromstärken erforderlich sind.

Nach dem Jouleschen Gesetz ist die von einem Leiter erzeugte Wärme proportional zu seinem Widerstand und dem durch ihn fließenden Strom. Um die Wärmeentwicklung bei besonders hohem Stromfluss zu kontrollieren, muss der Widerstand des Leiters verringert werden, was keine leichte Aufgabe ist. Daher besteht die heute allgemein verwendete Methode darin , den Leiter in einer Umgebung mit extrem niedriger Temperatur (unter -260 °C) zu platzieren . Vielleicht hat jeder die Nachrichten über Supraleitung bei Raumtemperatur verfolgt. Es ist denkbar, dass ein Durchbruch dieser Technologie einen gewaltigen Schock für die Industrie auslösen würde.

Gleichzeitig muss die Ausrüstung in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen kontinuierlich und stabil funktionieren, was eine starke Stromversorgung, fortschrittliche Technologie und eine komplette industrielle Produktionslinie erfordert. Darüber hinaus werden für einige Spezialkomponenten sehr hohe technische Anforderungen gestellt, wie etwa Geräte zur Bildumwandlung von Kernspinresonanzsignalen, Steuerchips, Geräte zum Empfangen und Senden von Hochfrequenzsignalen usw. Aufgrund einer schlechten Grundlage und eines späten Starts wurde der chinesische Markt für Kernspinresonanzgeräte lange Zeit von einigen ausländischen Unternehmen monopolisiert. Sowohl für die Anschaffung als auch für die Wartung der entsprechenden Ausrüstung müssen wir einen hohen Preis zahlen.

Nun wurde die von China unabhängig entwickelte Kernspinresonanzanlage in Betrieb genommen. Laut Ärzten des Shenzhen-Krankenhauses der Peking-Universität haben die in China unabhängig entwickelten Instrumente im Vergleich zu den früher verwendeten ausländischen Instrumenten die Vorteile einer hohen Auflösung und einer schnellen Bildgebungsgeschwindigkeit. Das Wichtigste ist, dass die Wartungskosten niedrig und die Bedienung einfach ist, was die Kosten erheblich senkt . Ich bin überzeugt, dass die Mehrheit der Patienten in Zukunft davon profitieren wird.

Quelle | CCTV-Nachrichten

Der Aufstieg inländischer Kernspinresonanzinstrumente steht in engem Zusammenhang mit der Innovation des wissenschaftlichen Forschungsmechanismus meines Landes. Forscher vom Shenzhen Institute of Advanced Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften sagten, dass das Forschungsteam bereits zu Beginn des Projekts in engem Austausch mit der Industrie gestanden habe und dass der Grad der Übereinstimmung mit den Bedürfnissen der Industrie als einer der wichtigsten Indikatoren für die Überprüfung wissenschaftlicher Forschungsergebnisse festgelegt worden sei. Dank der rasanten Entwicklung der chinesischen Wissenschaft als Grundlage und der unermüdlichen Anstrengungen wissenschaftlicher Forschungsteams und der Industrie konnten wir in vielen Bereichen, einschließlich der Kernspinresonanz, umfassende Durchbrüche erzielen.