導(dǎo)讀：近日，國(guó)家自然科學(xué)基金委官網(wǎng)刊登了一篇名為“科學(xué)基金支持攻克肺部疾病檢測(cè)硬骨頭難題 我國(guó)成功研制出人體肺部氣體磁共振成像儀器”的專題文章，分別從前瞻布局、技術(shù)突破、成果轉(zhuǎn)化等角度詳細(xì)介紹了中科極化當(dāng)前核心產(chǎn)品“肺部氣體磁共振成像系統(tǒng)"的研發(fā)背景及技術(shù)特征，為了讓大家更好的認(rèn)識(shí)了解這一全新技術(shù)原理組成的產(chǎn)品概況，現(xiàn)將該文章整理如下。
本文提要：在國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目“用于人體肺部重大疾病研究的磁共振成像儀器系統(tǒng)研制”支持下，中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所周欣研究員領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)攻克氣體磁共振信號(hào)弱不能成像等技術(shù)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(shí)產(chǎn)權(quán)，使我國(guó)成為繼美國(guó)、英國(guó)、加拿大之后第四個(gè)獨(dú)立掌握肺部氣體磁共振關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)家，有效解決了肺部結(jié)構(gòu)與功能的無(wú)創(chuàng)、定量、可視化檢測(cè)的瓶頸技術(shù)背后的科學(xué)難題，為我國(guó)實(shí)現(xiàn)對(duì)患者肺部重大疾病的早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療提供了先進(jìn)的檢測(cè)方法。
國(guó)家自然科學(xué)基金委官網(wǎng)
我國(guó)肺部疾病形勢(shì)十分嚴(yán)峻。肺癌是我國(guó)發(fā)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(guó)慢性阻塞性肺病患者達(dá)到9990萬(wàn)人，占全球總數(shù)的40%。此外，我國(guó)有全球約1/3的肺部疾病高危人群——煙民，人數(shù)超過(guò)3.5億。肺部疾病已是嚴(yán)重威脅我國(guó)人民群眾生命健康的重大因素，提高對(duì)肺部疾病的檢測(cè)技術(shù)水平并及時(shí)對(duì)肺部疾病進(jìn)行篩查，實(shí)現(xiàn)早診斷、早發(fā)現(xiàn)、早治療至關(guān)重要。
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聚焦肺部檢測(cè)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行前瞻布局
傳統(tǒng)的胸透很難發(fā)現(xiàn)肺部的早期病變。正電子發(fā)射斷層掃描（簡(jiǎn)稱PET）設(shè)備價(jià)格昂貴，且只能檢測(cè)部分早期肺病。作為目前肺部疾病主要檢測(cè)手段的CT設(shè)備，只能對(duì)肺部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)，且目前臨床應(yīng)用大部分為進(jìn)口產(chǎn)品，國(guó)產(chǎn)化設(shè)備僅占15%左右。傳統(tǒng)的胸透、CT和PET等臨床常規(guī)的肺部影像檢測(cè)儀器對(duì)人體均有輻射損傷，且都無(wú)法對(duì)肺部的通氣、微結(jié)構(gòu)和氣血交換進(jìn)行功能檢測(cè)。
用于檢測(cè)人體其他組織的傳統(tǒng)磁共振成像技術(shù)雖然無(wú)輻射損傷，但只能對(duì)水（氫核）成像。肺部組織充滿肺泡，是一種特殊的空腔結(jié)構(gòu)，組織內(nèi)氫核含量極低，因此，在對(duì)肺部進(jìn)行檢測(cè)時(shí)存在視覺(jué)“盲區(qū)”，很難發(fā)現(xiàn)肺部早期病變。要將磁共振技術(shù)運(yùn)用于肺部疾病檢測(cè)，就要突破超極化氣體制備、肺部氣體磁共振信號(hào)檢測(cè)成像速率提升、臨床磁共振多核成像系統(tǒng)構(gòu)建和兼容等技術(shù)難題。為此，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)自2012年起啟動(dòng)國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目“用于人體肺部重大疾病研究的磁共振成像儀器系統(tǒng)研制”，支持周欣（公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)頭人）科研團(tuán)隊(duì)在激光增強(qiáng)氣體磁共振信號(hào)靈敏度等方面開(kāi)展研究工作?？蒲袌F(tuán)隊(duì)成功攻克氣體磁共振信號(hào)增強(qiáng)等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和臨床氣體磁共振成像應(yīng)用技術(shù)難題，研制出人體肺部氣體磁共振成像儀器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)肺部結(jié)構(gòu)和功能的無(wú)輻射檢測(cè)，為扭轉(zhuǎn)我國(guó)肺部疾病檢測(cè)設(shè)備長(zhǎng)期被國(guó)外壟斷的被動(dòng)局面奠定了基礎(chǔ)。
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(jié)構(gòu)，而且可以對(duì)肺部通氣功能、氣血交換的生理功能進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，經(jīng)過(guò)后期數(shù)據(jù)處理，還能展示肺部三維立體重建效果圖。具體來(lái)說(shuō)，該儀器在肺部結(jié)構(gòu)成像方面，能探測(cè)到臨床CT不能發(fā)現(xiàn)的肺部通氣早期病灶，無(wú)損、定量、可視化地檢測(cè)肺內(nèi)氣體擴(kuò)散能力的變化，很好地反映出慢性阻塞性肺病患者肺內(nèi)微結(jié)構(gòu)的變化。在肺部功能成像方面，可無(wú)損地獲得肺部氣血屏障厚度、肺部氣血交換時(shí)間、肺泡的增大和損壞程度等一系列重要的肺部結(jié)構(gòu)和功能生理參數(shù)。由此，通過(guò)該儀器可以檢測(cè)肺部結(jié)構(gòu)變化之前出現(xiàn)的功能變化，完成對(duì)肺部疾病的早期發(fā)現(xiàn)和診斷。
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在肺部疾病檢測(cè)基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新方面取得突破
科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期探索，在自旋交換激光增強(qiáng)氣體磁共振信號(hào)的超極化方法、快速成像新技術(shù)、非氫核磁共振成像等基礎(chǔ)研究方面取得突破，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了惰性氣體超極化技術(shù)、惰性氣體磁共振成像的升降頻雙通道射頻技術(shù)和超快磁共振成像技術(shù)的重大革新，助力了該儀器設(shè)備的成功研發(fā)。
在基礎(chǔ)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(jià)格低廉，具有良好的生化惰性、脂溶性和化學(xué)位移敏感性，可以溶解在肺部血液和組織內(nèi)并產(chǎn)生不同的磁共振信號(hào)，在探測(cè)生物體的相關(guān)功能變化，特別是探測(cè)肺部氣血交換功能中具有十分獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，最終選擇氙氣作為造影劑。
二是提出收集和存儲(chǔ)超極化氙氣的新理念新技術(shù)。研制了新型收集存儲(chǔ)系統(tǒng)，采用大表面體積比的設(shè)計(jì)理念，提升超極化氙氣的收集效率，減少其弛豫。該收集存儲(chǔ)技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比極化度保持效果提高30-45%。
三是發(fā)展了用于活體肺部通氣功能、微結(jié)構(gòu)和氣血交換功能檢測(cè)的新方法。提出了基于氙氣定量可視評(píng)估肺部微結(jié)構(gòu)和功能等相關(guān)生理學(xué)參數(shù)的新型肺部磁共振成像方法和理論模型，實(shí)現(xiàn)了人體肺部微結(jié)構(gòu)和交換功能等生理參數(shù)的全面評(píng)估。
肺部氣體磁共振成像系統(tǒng)（129Xe MRI）與傳統(tǒng)CT、PET等功能對(duì)比
在核心技術(shù)創(chuàng)新方面，科研團(tuán)隊(duì)以激光自旋交換光泵技術(shù)為基礎(chǔ)，在超極化氣體的制備、肺部氣體磁共振信號(hào)檢測(cè)、常規(guī)磁共振成像系統(tǒng)兼容等技術(shù)方面取得了多項(xiàng)原創(chuàng)成果。
一是研發(fā)了對(duì)氙氣磁共振信號(hào)增強(qiáng)的超極化技術(shù)。超極化技術(shù)基于自旋交換激光光泵技術(shù)，將激光光子的角動(dòng)量轉(zhuǎn)移到電子上，然后通過(guò)自旋交換碰撞的方式將電子的角動(dòng)量轉(zhuǎn)移到原子核上從而將惰性氣體的磁共振信號(hào)靈敏度提高4個(gè)量級(jí)以上。超極化后的氙氣可作為造影劑對(duì)肺部通氣、微結(jié)構(gòu)和交換功能進(jìn)行定量、可視化、無(wú)輻射檢測(cè)?？蒲袌F(tuán)隊(duì)研發(fā)的人體肺部氣體磁共振成像儀器可將核磁共振信號(hào)增強(qiáng)57000倍，優(yōu)于美國(guó)的Polarean 9800超極化器（Polarean 9800 129Xe Hyperpolarizer，增強(qiáng)42000倍），達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，有效解決了肺部檢測(cè)中氣體磁共振信號(hào)強(qiáng)度太低而不能成像的難題，“點(diǎn)亮”了傳統(tǒng)磁共振成像的肺部盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)了高分辨率肺部氣體磁共振成像從無(wú)到有的跨越。
二是提升了氣體流入數(shù)據(jù)采樣速率。在肺部氣體磁共振信號(hào)檢測(cè)方面，成像速率高低將直接影響影像的臨床診斷價(jià)值。人體肺部氣體磁共振成像儀器利用自適應(yīng)稀疏欠采樣技術(shù)、結(jié)合人工智能的氣體流入效應(yīng)欠采樣技術(shù)和低秩圖像處理技術(shù)加快數(shù)據(jù)采集，速率達(dá)到了3.33幀/秒，采樣速率比國(guó)外最先進(jìn)的儀器——美國(guó)GE醫(yī)療集團(tuán)生產(chǎn)的Signa HDx磁共振成像系統(tǒng)的1.67幀/秒高近一倍，獲得高時(shí)間分辨率的肺部呼吸實(shí)時(shí)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(guò)程的動(dòng)態(tài)評(píng)估技術(shù)。
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(shí)，具有信號(hào)檢測(cè)效率高、自適應(yīng)免調(diào)諧、高靈敏度等特性，使臨床單核磁共振成像儀能擴(kuò)展至多核成像系統(tǒng)，克服了目前臨床磁共振成像儀只能對(duì)氫核成像的難題，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫核和氙核成像。由于受限于磁共振信號(hào)靈敏度，目前臨床磁共振成像儀只能對(duì)人體內(nèi)含量最高、自然狀態(tài)下磁共振信號(hào)靈敏度最強(qiáng)的氫核進(jìn)行成像。基于研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的可以將氙核磁共振信號(hào)提高>57000倍的氣體磁共振信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)和升降頻雙通道射頻裝置，可突破氣體磁共振信號(hào)靈敏度的限制，實(shí)現(xiàn)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(chǔ)研究成為可能，在成像內(nèi)核上和設(shè)備配套上實(shí)現(xiàn)了向下兼容，可以配備目前所有臨床磁共振成像儀。
“肺部氣體磁共振成像系統(tǒng)”點(diǎn)亮肺部流程圖
在項(xiàng)目的自主研制過(guò)程中，科研團(tuán)隊(duì)在研制該重大科研儀器過(guò)程中，圍繞核心技術(shù)在《磁共振期刊》《國(guó)際醫(yī)學(xué)磁共振雜志》《納米快報(bào)》等國(guó)際期刊上發(fā)表論文136篇，磁共振醫(yī)學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)雜志《醫(yī)學(xué)磁共振》副主編約翰·馬克勒教授認(rèn)為該研究成果達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。此外，科研團(tuán)隊(duì)獲授權(quán)中國(guó)發(fā)明專利46件，受理中國(guó)發(fā)明專利23件，受理國(guó)際PCT（Patent Cooperation Treaty，專利合作協(xié)定）發(fā)明專利5件，獲軟件著作權(quán)5項(xiàng)。其中，核心技術(shù)“一種永磁極化器”和“一種激光預(yù)極化氙的累積輸出裝置”分別在2016年和2017年獲得“中國(guó)專利優(yōu)秀獎(jiǎng)”，“肺部氣體磁共振成像的關(guān)鍵技術(shù)”獲得"2018年度湖北省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)”，項(xiàng)目前后共獲得“武漢市科技局科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化獎(jiǎng)”（500萬(wàn)元獎(jiǎng)勵(lì)）、獲批“中科院成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化重點(diǎn)專項(xiàng)（弘光專項(xiàng)）”并入選2018年中科院弘光專項(xiàng)10大亮點(diǎn)工作，公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)領(lǐng)頭人周欣獲評(píng)中央電視臺(tái)科技盛典“2018全國(guó)十大年度科技創(chuàng)新人物”等榮譽(yù)。
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推動(dòng)我國(guó)自主研發(fā)高性能醫(yī)療器械成果轉(zhuǎn)化
實(shí)施健康中國(guó)戰(zhàn)略，亟需提高我國(guó)高性能醫(yī)療器械的自主創(chuàng)新和研發(fā)能力。國(guó)產(chǎn)醫(yī)療器械設(shè)備必須真正“做得出、推得開(kāi)、有效益”。人體肺部氣體磁共振成像儀的成功研制，對(duì)促進(jìn)我國(guó)醫(yī)學(xué)影像科學(xué)儀器的發(fā)展、突破高性能醫(yī)療器械的自主研發(fā)瓶頸具有重要意義。該成果不僅是前沿基礎(chǔ)研究的一大突破，也在應(yīng)用研究及推進(jìn)醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化方面發(fā)揮了重大作用。
一是臨床效果顯著?？蒲袌F(tuán)隊(duì)目前已與多家三甲醫(yī)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(jì)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(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療。同時(shí)，借助人體肺部氣體磁共振成像儀可對(duì)治療中的患者進(jìn)行動(dòng)態(tài)療效評(píng)估，以便及時(shí)調(diào)整優(yōu)化治療方案。
二是積極推動(dòng)成果轉(zhuǎn)化?？蒲袌F(tuán)隊(duì)獲批中科院成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化重點(diǎn)專項(xiàng)（弘光專項(xiàng)），2018年聯(lián)合上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司、橫店集團(tuán)成立了中科極化醫(yī)療科技有限公司，正式國(guó)產(chǎn)化該醫(yī)療設(shè)備，有望改變高端影像設(shè)備原創(chuàng)技術(shù)受制于人的被動(dòng)局面。
基于該儀器研發(fā)的階段性成果，公司科研團(tuán)隊(duì)目前正在緊張有序的申請(qǐng)醫(yī)療器械II類及III類注冊(cè)證并繼續(xù)攻堅(jiān)爭(zhēng)取“十三五”期間在基礎(chǔ)研究上深入探究機(jī)理，在臨床應(yīng)用上建立診斷標(biāo)準(zhǔn)，在產(chǎn)業(yè)化滿足市場(chǎng)需求等方面取得更大突破，力爭(zhēng)使該創(chuàng)新儀器更深入、更廣泛地服務(wù)于我國(guó)公共衛(wèi)生事業(yè)。
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