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超极化核磁共振使分子诊断学取得重大医学进展，例如心血管疾病或癌症治疗。在欧盟合作项目“MetaboliQs”的框架内，由 Fraunhofer IAF 和 NVision 协调的七个合作伙伴开发了一种显微镜方法，该方法首次能够通过基于金刚石的超极化分析单细胞水平的代谢过程。此外，该联盟成功地在面向应用的 MRI 实验中使用 PHIP 方法证明了超极化。

由弗劳恩霍夫应用固态物理研究所 IAF 和 NVision Imaging Technologies GmbH 协调，这是一个由七个研究机构组成的国际财团和工业公司在用于分析代谢过程的量子显微镜和在“代谢物——利用无与伦比的室温量子相干性以实现安全、同类首创、多模态”项目中应用副氢诱导极化 (PHIP) 方面取得了突破心脏成像。” 通过利用核磁共振 (NMR) 更精确、实用和高效，这些结果显着推进了两种有前途的改进医学成像诊断和光谱学的方法。根据未来和新兴技术 (FET) 计划“量子旗舰”，欧盟 (EU) 自 2018 年以来资助了“MetaboliQs”。

一方面，合作者利用纳米结构金刚石中氮空位中心(NV 中心)的特殊量子传感特性，以比现有技术高 1000 倍的空间分辨率检测 NMR 信号，证明显微光谱学是适用于单细胞代谢分析。另一方面，研究人员首次成功证明 PHIP 量子偏振器可用于高灵敏度的临床前体内研究，证明了现实条件下的超极化磁共振成像 (MRI)。

Fraunhofer IAF 的项目负责人 Volker Cimalla 博士对该项目的结果进行了分类：“我们的方法旨在将基于金刚石的量子传感的独特优势带入医疗应用。借助开发的量子显微镜，我们创造了一种独特的研究工具这决定性地推进了细胞分析，并为医学研究和体外诊断开辟了新的可能性。” NVision 项目协调员 Ilai Schwartz 强调：“开发的量子偏振器为实现超极化 MRI 的有前途的技术铺平了道路。与现有方法相比，PHIP 方法具有显着更快、更实用和更实用的优势。在保持最大精度的同时更节省资源。”

基于金刚石的超极化改善 NMR

超极化可以克服核磁共振技术的主要缺点：灵敏度相对较低。传统上，核磁共振波谱仪或核磁共振系统测量当外部磁场内的核自旋响应共振射频脉冲时产生的电信号。这里的信号强度取决于所研究样品的热极化，即在其中磁性排列的核自旋的数量。信号通常非常微弱，因为平均而言，数十亿个核自旋中只有一个是磁性对齐的。然而，超极化技术在一段时间内将大部分核自旋磁性对齐，这将 NMR 信号的强度提高了几个数量级。

因此，通过超极化将 NMR 信号放大 100,000 倍，可以将 MRI 等医疗应用提高很多倍。可以更早地诊断心血管疾病，可以立即测试癌症疗法的效果并因此进行个性化，因为医生能够在分子水平上实时检测典型的代谢过程。出于这个原因，世界各地的研究人员正在研究各种方法来开发用于医疗应用的可行超极化方法。当前的方法，例如动态核极化 (DNP)，已经非常精确，但非常耗费资源。此外，超极化状态仅持续数秒。

“MetaboliQs”捆绑专业知识：从材料生长到原型开发再到医学研究

有鉴于此，“MetaboliQs”项目的合作伙伴依靠合成金刚石中 NV 中心的特殊量子物理特性，Fraunhofer IAF 在元素六 (E6) 提供的优化材料上生长和纳米结构。耶路撒冷希伯来大学 (HUJI) 分析了结构中的量子特性。NVision 实现了基于表征的纳米金刚石芯片的原型量子显微镜，并在可行性研究中证明了在金刚石中使用光学极化电子自旋的超极化和以高光谱分辨率检测超极化代谢物。Bruker BioSpin GmbH 负责评估来自 NVision 的样品以确定自旋浓度和弛豫时间。通过设置，

最后，在临床前体内比较研究中，慕尼黑工业大学 (TUM) 表明，同样由 NVision 提供的量子偏振器，通过将副氢转移到 13C 原子核来实现超极化，优于基于动态核极化的方法：在所需资源中，代谢示踪剂的极化和集中程度以及弛豫时间明显高于替代方法。瑞士苏黎世联邦理工学院 (ETH Zurich) 的研究人员成功模拟，如果将磁场强度从 3 T 降低到 1.5 T 或 0.75 T，成像中可以实现更好的信噪比。感谢PHIP量子偏振器的优越性能，即使在较弱的磁场下，MRI 结果在质量上也相当;作为回报，运行 MRI 系统的成本显着下降。