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    科學基金支持攻克肺部疾病檢測硬骨頭難題
    我國成功研制出人體肺部氣體磁共振成像儀器

    日期 2019-04-30   來源:   作者:  【 】   【打印】   【關閉

    第2期
    (總497期)

      本文提要:在國家重大科研儀器研制項目“用于人體肺部重大疾病研究的磁共振成像儀器系統研制”支持下,中國科學院武漢物理與數學研究所周欣研究員領銜的科研團隊攻克氣體磁共振信號弱不能成像等技術難題,成功研制出人體肺部氣體磁共振成像儀(MRI),具有完全自主知識產權,使我國成為繼美國、英國、加拿大之后第四個獨立掌握肺部氣體磁共振關鍵技術的國家,有效解決了肺部結構與功能的無創、定量、可視化檢測的瓶頸技術背后的科學難題,為我國實現對患者肺部重大疾病的早發現、早診斷、早治療提供了先進的檢測方法。

      我國肺部疾病形勢十分嚴峻。肺癌是我國發病率和死亡率排第一的惡性腫瘤,大約每4名死亡的癌癥患者中就有1名死于肺癌。我國慢性阻塞性肺病患者達到9990萬人,占全球總數的40%。此外,我國有全球約1/3的肺部疾病高危人群——煙民,人數超過3.5億。肺部疾病已是嚴重威脅我國人民群眾生命健康的重大因素,提高對肺部疾病的檢測技術水平并及時對肺部疾病進行篩查,實現早診斷、早發現、早治療至關重要。

      一、聚焦肺部檢測設備關鍵技術進行前瞻布局

      傳統的胸透很難發現肺部的早期病變。正電子發射斷層掃描(Positron Emission Tomography,簡稱PET)設備價格昂貴,且只能檢測部分早期肺病。作為目前肺部疾病主要檢測手段的CT設備,只能對肺部結構進行檢測,且目前臨床應用大部分為進口產品,國產化設備僅占15%左右。傳統的胸透、CT和PET等臨床常規的肺部影像檢測儀器對人體均有輻射損傷,且都無法對肺部的通氣、微結構和氣血交換進行功能檢測。

      用于檢測人體其他組織的傳統磁共振成像技術雖然無輻射損傷,但只能對水(氫核)成像。肺部組織充滿肺泡,是一種特殊的空腔結構,組織內氫核含量極低,因此,在對肺部進行檢測時存在視覺“盲區”,很難發現肺部早期病變。

      要將磁共振技術運用于肺部疾病檢測,就要突破超極化氣體制備、肺部氣體磁共振信號檢測成像速率提升、臨床磁共振多核成像系統構建和兼容等技術難題。為此,國家自然科學基金委員會自2012年起啟動國家重大科研儀器研制項目“用于人體肺部重大疾病研究的磁共振成像儀器系統研制”,支持周欣科研團隊在激光增強氣體磁共振信號靈敏度等方面開展研究工作??蒲袌F隊成功攻克氣體磁共振信號增強等關鍵科學問題和臨床氣體磁共振成像應用技術難題,研制出人體肺部氣體磁共振成像儀器,實現了對肺部結構和功能的無輻射檢測,為扭轉我國肺部疾病檢測設備長期被國外壟斷的被動局面奠定了基礎。

      人體肺部氣體磁共振成像儀器所獲得的影像不僅能顯示氣管、支氣管、肺葉等完整的肺部結構,而且可以對肺部通氣功能、氣血交換的生理功能進行定量評價,經過后期數據處理,還能展示肺部三維立體重建效果圖。具體來說,該儀器在肺部結構成像方面,能探測到臨床CT不能發現的肺部通氣早期病灶,無損、定量、可視化地檢測肺內氣體擴散能力的變化,很好地反映出慢性阻塞性肺病患者肺內微結構的變化。在肺部功能成像方面,可無損地獲得肺部氣血屏障厚度、肺部氣血交換時間、肺泡的增大和損壞程度等一系列重要的肺部結構和功能生理參數。由此,通過該儀器可以檢測肺部結構變化之前出現的功能變化,完成對肺部疾病的早期發現和診斷。

      二、在肺部疾病檢測基礎研究和技術創新方面取得突破

      科研團隊經過長期探索,在自旋交換激光增強氣體磁共振信號的超極化方法、快速成像新技術、非氫核磁共振成像等基礎研究方面取得突破,在此基礎上,實現了惰性氣體超極化技術、惰性氣體磁共振成像的升降頻雙通道射頻技術和超快磁共振成像技術的重大革新,助力了該儀器設備的成功研發。

      在基礎研究方面,一是選擇惰性氣體氙氣作造影劑。氙氣是大氣氣體,資源豐富,價格低廉,具有良好的生化惰性、脂溶性和化學位移敏感性,可以溶解在肺部血液和組織內并產生不同的磁共振信號,在探測生物體的相關功能變化,特別是探測肺部氣血交換功能中具有十分獨特的優勢,科研團隊經過反復研究,最終選擇氙氣作為造影劑。提出收集和存儲超極化氙氣的新理念新技術。研制了新型收集存儲系統,采用大表面體積比的設計理念,提升超極化氙氣的收集效率,減少其弛豫。該收集存儲技術與傳統技術相比極化度保持效果提高30-45%。三是發展了用于活體肺部通氣功能、微結構和氣血交換功能檢測的新方法。提出了基于氙氣定量可視評估肺部微結構和功能等相關生理學參數的新型肺部磁共振成像方法和理論模型,實現了人體肺部微結構和交換功能等生理參數的全面評估。

      在核心技術創新方面,科研團隊以激光自旋交換光泵技術為基礎,在超極化氣體的制備、肺部氣體磁共振信號檢測、常規磁共振成像系統兼容等技術方面取得了多項原創成果。

      一是研發了對氙氣磁共振信號增強的超極化技術。超極化技術基于自旋交換激光光泵技術,將激光光子的角動量轉移到電子上,然后通過自旋交換碰撞的方式將電子的角動量轉移到原子核上從而將惰性氣體的磁共振信號靈敏度提高4個量級以上。超極化后的氙氣可作為造影劑對肺部通氣、微結構和交換功能進行定量、可視化、無輻射檢測??蒲袌F隊研發的人體肺部氣體磁共振成像儀器可將核磁共振信號增強57000倍,優于美國的Polarean 9800超極化器(Polarean 9800 129Xe Hyperpolarizer,增強42000倍),達到國際領先水平,有效解決了肺部檢測中氣體磁共振信號強度太低而不能成像的難題,“點亮”了傳統磁共振成像的肺部盲區,實現了高分辨率肺部氣體磁共振成像從無到有的跨越。

      二是提升了氣體流入數據采樣速率。在肺部氣體磁共振信號檢測方面,成像速率高低將直接影響影像的臨床診斷價值。人體肺部氣體磁共振成像儀器利用自適應稀疏欠采樣技術、結合人工智能的氣體流入效應欠采樣技術和低秩圖像處理技術加快數據采集,速率達到了3.33幀/秒,采樣速率比國外最先進的儀器——美國GE醫療集團生產的Signa HDx磁共振成像系統的1.67幀/秒高近一倍,獲得高時間分辨率的肺部呼吸實時成像(300ms)。這是目前世界上最快的人體肺部氣體磁共振成像采樣速率,提升了肺部氣體呼吸過程的動態評估技術。

      三是研制出了可穿戴式人體肺部氣體磁共振成像探頭和用于惰性氣體磁共振成像的升降頻雙通道射頻裝置,在保證穿戴者良好舒適度的同時,具有信號檢測效率高、自適應免調諧、高靈敏度等特性,使臨床單核磁共振成像儀能擴展至多核成像系統,克服了目前臨床磁共振成像儀只能對氫核成像的難題,實現對氫核和氙核成像。由于受限于磁共振信號靈敏度,目前臨床磁共振成像儀只能對人體內含量最高、自然狀態下磁共振信號靈敏度最強的氫核進行成像?;谘芯繄F隊研發的可以將氙核磁共振信號提高>57000倍的氣體磁共振信號增強技術和升降頻雙通道射頻裝置,可突破氣體磁共振信號靈敏度的限制,實現了氙氣肺部磁共振成像。用于惰性氣體磁共振成像的升降頻雙通道射頻裝置使臨床非氫核磁共振成像基礎研究成為可能,在成像內核上和設備配套上實現了向下兼容,可以配備目前所有臨床磁共振成像儀。

      在項目的自主研制過程中,科研團隊在研制該重大科研儀器過程中,圍繞核心技術在《磁共振期刊》《國際醫學磁共振雜志》《納米快報》等國際期刊上發表論文136篇,磁共振醫學領域頂級雜志《醫學磁共振》副主編約翰·馬克勒教授認為該研究成果達到國際領先水平。此外,科研團隊獲授權中國發明專利46件,受理中國發明專利23件,受理國際PCT(Patent Cooperation Treaty,專利合作協定)發明專利5件,獲軟件著作權5項。其中,核心技術“一種永磁極化器”和“一種激光預極化氙的累積輸出裝置”分別在2016年和2017年獲得中國專利優秀獎,“肺部氣體磁共振成像的關鍵技術”獲得2018年度湖北省技術發明一等獎。

      三、推動我國自主研發高性能醫療器械成果轉化

      實施健康中國戰略,亟需提高我國高性能醫療器械的自主創新和研發能力。國產醫療器械設備必須真正“做得出、推得開、有效益”。人體肺部氣體磁共振成像儀的成功研制,對促進我國醫學影像科學儀器的發展、突破高性能醫療器械的自主研發瓶頸具有重要意義。該成果不僅是前沿基礎研究的一大突破,也在應用研究及推進醫療檢測設備國產化方面發揮了重大作用。

      一是臨床效果顯著??蒲袌F隊目前已與多家三甲醫院合作研究肺癌、慢性阻塞性肺病、哮喘、放射性肺損傷等病例累計300余例。臨床病例顯示,人體肺部氣體磁共振成像儀器有助于肺癌、慢性阻塞性肺病等肺部重大疾病患者的早發現、早診斷、早治療。同時,借助人體肺部氣體磁共振成像儀可對治療中的患者進行動態療效評估,以便及時調整優化治療方案。二是積極推動成果轉化??蒲袌F隊獲批中科院成果轉移轉化重點專項(弘光專項),2018年聯合上海聯影醫療科技有限公司、橫店集團成立了中科極化醫療科技有限公司,正式國產化該醫療設備,有望改變高端影像設備原創技術受制于人的被動局面,預期2030年左右能在全國實現30%的臨床磁共振(約15000臺)應用。

      基于該儀器研發的階段性成果,科研團隊目前正在繼續攻堅,爭取“十三五”期間在基礎研究上深入探究機理,在臨床應用上建立診斷標準,在產業化滿足市場需求等方面取得更大突破,力爭使該創新儀器更深入、更廣泛地服務于我國公共衛生事業。




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