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    科学基金支持攻克肺部疾病检测硬骨头难题
    我国成功研制出人体肺部气体磁共振成像仪器

    日期 2019-04-30   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

    第2期
    (总497期)

      本文提要:在国家重大科研仪器研制项目“用于人体肺部重大疾病研究的磁共振成像仪器系统研制”支持下,中国科学院武汉物理与数学研究所周欣研究员领衔的科研团队攻克气体磁共振信号弱不能成像等技术难题,成功研制出人体肺部气体磁共振成像仪(MRI),具有完全自主知识产权,使我国成为继美国、英国、加拿大之后第四个独立掌握肺部气体磁共振关键技术的国家,有效解决了肺部结构与功能的无创、定量、可视化检测的瓶颈技术背后的科学难题,为我国实现对患者肺部重大疾病的早发现、早诊断、早治疗提供了先进的检测方法。

      我国肺部疾病形势十分严峻。肺癌是我国发病率和死亡率排第一的恶性肿瘤,大约每4名死亡的癌症患者中就有1名死于肺癌。我国慢性阻塞性肺病患者达到9990万人,占全球总数的40%。此外,我国有全球约1/3的肺部疾病高危人群——烟民,人数超过3.5亿。肺部疾病已是严重威胁我国人民群众生命健康的重大因素,提高对肺部疾病的检测技术水平并及时对肺部疾病进行筛查,实现早诊断、早发现、早治疗至关重要。

      一、聚焦肺部检测设备关键技术进行前瞻布局

      传统的胸透很难发现肺部的早期病变。正电子发射断层扫描(Positron Emission Tomography,简称PET)设备价格昂贵,且只能检测部分早期肺病。作为目前肺部疾病主要检测手段的CT设备,只能对肺部结构进行检测,且目前临床应用大部分为进口产品,国产化设备仅占15%左右。传统的胸透、CT和PET等临床常规的肺部影像检测仪器对人体均有辐射损伤,且都无法对肺部的通气、微结构和气血交换进行功能检测。

      用于检测人体其他组织的传统磁共振成像技术虽然无辐射损伤,但只能对水(氢核)成像。肺部组织充满肺泡,是一种特殊的空腔结构,组织内氢核含量极低,因此,在对肺部进行检测时存在视觉“盲区”,很难发现肺部早期病变。

      要将磁共振技术运用于肺部疾病检测,就要突破超极化气体制备、肺部气体磁共振信号检测成像速率提升、临床磁共振多核成像系统构建和兼容等技术难题。为此,国家自然科学基金委员会自2012年起启动国家重大科研仪器研制项目“用于人体肺部重大疾病研究的磁共振成像仪器系统研制”,支持周欣科研团队在激光增强气体磁共振信号灵敏度等方面开展研究工作。科研团队成功攻克气体磁共振信号增强等关键科学问题和临床气体磁共振成像应用技术难题,研制出人体肺部气体磁共振成像仪器,实现了对肺部结构和功能的无辐射检测,为扭转我国肺部疾病检测设备长期被国外垄断的被动局面奠定了基础。

      人体肺部气体磁共振成像仪器所获得的影像不仅能显示气管、支气管、肺叶等完整的肺部结构,而且可以对肺部通气功能、气血交换的生理功能进行定量评价,经过后期数据处理,还能展示肺部三维立体重建效果图。具体来说,该仪器在肺部结构成像方面,能探测到临床CT不能发现的肺部通气早期病灶,无损、定量、可视化地检测肺内气体扩散能力的变化,很好地反映出慢性阻塞性肺病患者肺内微结构的变化。在肺部功能成像方面,可无损地获得肺部气血屏障厚度、肺部气血交换时间、肺泡的增大和损坏程度等一系列重要的肺部结构和功能生理参数。由此,通过该仪器可以检测肺部结构变化之前出现的功能变化,完成对肺部疾病的早期发现和诊断。

      二、在肺部疾病检测基础研究和技术创新方面取得突破

      科研团队经过长期探索,在自旋交换激光增强气体磁共振信号的超极化方法、快速成像新技术、非氢核磁共振成像等基础研究方面取得突破,在此基础上,实现了惰性气体超极化技术、惰性气体磁共振成像的升降频双通道射频技术和超快磁共振成像技术的重大革新,助力了该仪器设备的成功研发。

      在基础研究方面,一是选择惰性气体氙气作造影剂。氙气是大气气体,资源丰富,价格低廉,具有良好的生化惰性、脂溶性和化学位移敏感性,可以溶解在肺部血液和组织内并产生不同的磁共振信号,在探测生物体的相关功能变化,特别是探测肺部气血交换功能中具有十分独特的优势,科研团队经过反复研究,最终选择氙气作为造影剂。提出收集和存储超极化氙气的新理念新技术。研制了新型收集存储系统,采用大表面体积比的设计理念,提升超极化氙气的收集效率,减少其弛豫。该收集存储技术与传统技术相比极化度保持效果提高30-45%。三是发展了用于活体肺部通气功能、微结构和气血交换功能检测的新方法。提出了基于氙气定量可视评估肺部微结构和功能等相关生理学参数的新型肺部磁共振成像方法和理论模型,实现了人体肺部微结构和交换功能等生理参数的全面评估。

      在核心技术创新方面,科研团队以激光自旋交换光泵技术为基础,在超极化气体的制备、肺部气体磁共振信号检测、常规磁共振成像系统兼容等技术方面取得了多项原创成果。

      一是研发了对氙气磁共振信号增强的超极化技术。超极化技术基于自旋交换激光光泵技术,将激光光子的角动量转移到电子上,然后通过自旋交换碰撞的方式将电子的角动量转移到原子核上从而将惰性气体的磁共振信号灵敏度提高4个量级以上。超极化后的氙气可作为造影剂对肺部通气、微结构和交换功能进行定量、可视化、无辐射检测。科研团队研发的人体肺部气体磁共振成像仪器可将核磁共振信号增强57000倍,优于美国的Polarean 9800超极化器(Polarean 9800 129Xe Hyperpolarizer,增强42000倍),达到国际领先水平,有效解决了肺部检测中气体磁共振信号强度太低而不能成像的难题,“点亮”了传统磁共振成像的肺部盲区,实现了高分辨率肺部气体磁共振成像从无到有的跨越。

      二是提升了气体流入数据采样速率。在肺部气体磁共振信号检测方面,成像速率高低将直接影响影像的临床诊断价值。人体肺部气体磁共振成像仪器利用自适应稀疏欠采样技术、结合人工智能的气体流入效应欠采样技术和低秩图像处理技术加快数据采集,速率达到了3.33帧/秒,采样速率比国外最先进的仪器——美国GE医疗集团生产的Signa HDx磁共振成像系统的1.67帧/秒高近一倍,获得高时间分辨率的肺部呼吸实时成像(300ms)。这是目前世界上最快的人体肺部气体磁共振成像采样速率,提升了肺部气体呼吸过程的动态评估技术。

      三是研制出了可穿戴式人体肺部气体磁共振成像探头和用于惰性气体磁共振成像的升降频双通道射频装置,在保证穿戴者良好舒适度的同时,具有信号检测效率高、自适应免调谐、高灵敏度等特性,使临床单核磁共振成像仪能扩展至多核成像系统,克服了目前临床磁共振成像仪只能对氢核成像的难题,实现对氢核和氙核成像。由于受限于磁共振信号灵敏度,目前临床磁共振成像仪只能对人体内含量最高、自然状态下磁共振信号灵敏度最强的氢核进行成像。基于研究团队研发的可以将氙核磁共振信号提高>57000倍的气体磁共振信号增强技术和升降频双通道射频装置,可突破气体磁共振信号灵敏度的限制,实现了氙气肺部磁共振成像。用于惰性气体磁共振成像的升降频双通道射频装置使临床非氢核磁共振成像基础研究成为可能,在成像内核上和设备配套上实现了向下兼容,可以配备目前所有临床磁共振成像仪。

      在项目的自主研制过程中,科研团队在研制该重大科研仪器过程中,围绕核心技术在《磁共振期刊》《国际医学磁共振杂志》《纳米快报》等国际期刊上发表论文136篇,磁共振医学领域顶级杂志《医学磁共振》副主编约翰·马克勒教授认为该研究成果达到国际领先水平。此外,科研团队获授权中国发明专利46件,受理中国发明专利23件,受理国际PCT(Patent Cooperation Treaty,专利合作协定)发明专利5件,获软件著作权5项。其中,核心技术“一种永磁极化器”和“一种激光预极化氙的累积输出装置”分别在2016年和2017年获得中国专利优秀奖,“肺部气体磁共振成像的关键技术”获得2018年度湖北省技术发明一等奖。

      三、推动我国自主研发高性能医疗器械成果转化

      实施健康中国战略,亟需提高我国高性能医疗器械的自主创新和研发能力。国产医疗器械设备必须真正“做得出、推得开、有效益”。人体肺部气体磁共振成像仪的成功研制,对促进我国医学影像科学仪器的发展、突破高性能医疗器械的自主研发瓶颈具有重要意义。该成果不仅是前沿基础研究的一大突破,也在应用研究及推进医疗检测设备国产化方面发挥了重大作用。

      一是临床效果显著。科研团队目前已与多家三甲医院合作研究肺癌、慢性阻塞性肺病、哮喘、放射性肺损伤等病例累计300余例。临床病例显示,人体肺部气体磁共振成像仪器有助于肺癌、慢性阻塞性肺病等肺部重大疾病患者的早发现、早诊断、早治疗。同时,借助人体肺部气体磁共振成像仪可对治疗中的患者进行动态疗效评估,以便及时调整优化治疗方案。二是积极推动成果转化。科研团队获批中科院成果转移转化重点专项(弘光专项),2018年联合上海联影医疗科技有限公司、横店集团成立了中科极化医疗科技有限公司,正式国产化该医疗设备,有望改变高端影像设备原创技术受制于人的被动局面,预期2030年左右能在全国实现30%的临床磁共振(约15000台)应用。

      基于该仪器研发的阶段性成果,科研团队目前正在继续攻坚,争取“十三五”期间在基础研究上深入探究机理,在临床应用上建立诊断标准,在产业化满足市场需求等方面取得更大突破,力争使该创新仪器更深入、更广泛地服务于我国公共卫生事业。