導(dǎo)讀：近日，國家自然科學(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”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(tǒng)研制”支持下，中國科學(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)隊攻克氣體磁共振信號弱不能成像等技術(shù)難題，成功研制出人體肺部氣體磁共振成像儀（MRI），具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，使我國成為繼美國、英國、加拿大之后第四個獨(dú)立掌握肺部氣體磁共振關(guān)鍵技術(shù)的國家，有效解決了肺部結(jié)構(gòu)與功能的無創(chuàng)、定量、可視化檢測的瓶頸技術(shù)背后的科學(xué)難題，為我國實(shí)現(xiàn)對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)的檢測方法。
國家自然科學(xué)基金委官網(wǎng)
我國肺部疾病形勢十分嚴(yán)峻。肺癌是我國發(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。我國慢性阻塞性肺病患者達(dá)到9990萬人，占全球總數(shù)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(shù)超過3.5億。肺部疾病已是嚴(yán)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(shù)水平并及時對肺部疾病進(jìn)行篩查，實(shí)現(xiàn)早診斷、早發(fā)現(xiàn)、早治療至關(guān)重要。
1
聚焦肺部檢測設(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（簡稱PET）設(shè)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(shè)備，只能對肺部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，且目前臨床應(yīng)用大部分為進(jìn)口產(chǎn)品，國產(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)的肺部影像檢測儀器對人體均有輻射損傷，且都無法對肺部的通氣、微結(jié)構(gòu)和氣血交換進(jìn)行功能檢測。
用于檢測人體其他組織的傳統(tǒng)磁共振成像技術(shù)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(jié)構(gòu)，組織內(nèi)氫核含量極低，因此，在對肺部進(jìn)行檢測時存在視覺“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，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(tǒng)構(gòu)建和兼容等技術(shù)難題。為此，國家自然科學(xué)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(tǒng)研制”，支持周欣（公司研發(fā)團(tuán)隊領(lǐng)頭人）科研團(tuán)隊在激光增強(qiáng)氣體磁共振信號靈敏度等方面開展研究工作?？蒲袌F(tuán)隊成功攻克氣體磁共振信號增強(qiáng)等關(guān)鍵科學(xué)問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)了對肺部結(jié)構(gòu)和功能的無輻射檢測，為扭轉(zhuǎn)我國肺部疾病檢測設(shè)備長期被國外壟斷的被動局面奠定了基礎(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)，而且可以對肺部通氣功能、氣血交換的生理功能進(jìn)行定量評價，經(jīng)過后期數(shù)據(jù)處理，還能展示肺部三維立體重建效果圖。具體來說，該儀器在肺部結(jié)構(gòu)成像方面，能探測到臨床CT不能發(fā)現(xiàn)的肺部通氣早期病灶，無損、定量、可視化地檢測肺內(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(jié)構(gòu)和功能生理參數(shù)。由此，通過該儀器可以檢測肺部結(jié)構(gòu)變化之前出現(xiàn)的功能變化，完成對肺部疾病的早期發(fā)現(xiàn)和診斷。
2
在肺部疾病檢測基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新方面取得突破
科研團(tuán)隊經(jīng)過長期探索，在自旋交換激光增強(qiáng)氣體磁共振信號的超極化方法、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，在探測生物體的相關(guān)功能變化，特別是探測肺部氣血交換功能中具有十分獨(dú)特的優(yōu)勢，科研團(tuán)隊經(jīng)過反復(fù)研究，最終選擇氙氣作為造影劑。
二是提出收集和存儲超極化氙氣的新理念新技術(shù)。研制了新型收集存儲系統(tǒng)，采用大表面體積比的設(shè)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(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的新方法。提出了基于氙氣定量可視評估肺部微結(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等功能對比
在核心技術(shù)創(chuàng)新方面，科研團(tuán)隊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檢測、常規(guī)磁共振成像系統(tǒng)兼容等技術(shù)方面取得了多項原創(chuàng)成果。
一是研發(fā)了對氙氣磁共振信號增強(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)，將激光光子的角動量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)和交換功能進(jìn)行定量、可視化、無輻射檢測?？蒲袌F(tuán)隊研發(fā)的人體肺部氣體磁共振成像儀器可將核磁共振信號增強(qiáng)57000倍，優(yōu)于美國的Polarean 9800超極化器（Polarean 9800 129Xe Hyperpolarizer，增強(qiáng)42000倍），達(dá)到國際領(lǐng)先水平，有效解決了肺部檢測中氣體磁共振信號強(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(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，采樣速率比國外最先進(jìn)的儀器——美國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，獲得高時間分辨率的肺部呼吸實(shí)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(tài)評估技術(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，具有信號檢測效率高、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氫核成像的難題，實(shí)現(xiàn)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(nèi)含量最高、自然狀態(tài)下磁共振信號靈敏度最強(qiáng)的氫核進(jìn)行成像?；谘芯繄F(tuán)隊研發(fā)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(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
在項目的自主研制過程中，科研團(tuán)隊在研制該重大科研儀器過程中，圍繞核心技術(shù)在《磁共振期刊》《國際醫(yī)學(xué)磁共振雜志》《納米快報》等國際期刊上發(fā)表論文136篇，磁共振醫(yī)學(xué)領(lǐng)域頂級雜志《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)到國際領(lǐng)先水平。此外，科研團(tuán)隊獲授權(quán)中國發(fā)明專利46件，受理中國發(fā)明專利23件，受理國際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。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“中國專利優(yōu)秀獎”，“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”，項目前后共獲得“武漢市科技局科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化獎”（500萬元獎勵）、獲批“中科院成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化重點(diǎn)專項（弘光專項）”并入選2018年中科院弘光專項10大亮點(diǎn)工作，公司研發(fā)團(tuán)隊領(lǐng)頭人周欣獲評中央電視臺科技盛典“2018全國十大年度科技創(chuàng)新人物”等榮譽(yù)。
3
推動我國自主研發(fā)高性能醫(yī)療器械成果轉(zhuǎn)化
實(shí)施健康中國戰(zhàn)略，亟需提高我國高性能醫(yī)療器械的自主創(chuàng)新和研發(fā)能力。國產(chǎn)醫(yī)療器械設(shè)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(jìn)我國醫(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)療檢測設(shè)備國產(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，借助人體肺部氣體磁共振成像儀可對治療中的患者進(jìn)行動態(tài)療效評估，以便及時調(diào)整優(yōu)化治療方案。
二是積極推動成果轉(zhuǎn)化?？蒲袌F(tuán)隊獲批中科院成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化重點(diǎn)專項（弘光專項），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)受制于人的被動局面。
基于該儀器研發(fā)的階段性成果，公司科研團(tuán)隊目前正在緊張有序的申請醫(yī)療器械II類及III類注冊證并繼續(xù)攻堅爭取“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)化滿足市場需求等方面取得更大突破，力爭使該創(chuàng)新儀器更深入、更廣泛地服務(wù)于我國公共衛(wèi)生事業(yè)。
地址：武漢市東湖高新區(qū)九峰街道九峰一路1號生物創(chuàng)新園二期A2棟 電話：13868937461
Copyright@2019 武漢中科極化醫(yī)療科技有限公司 版權(quán)所有 技術(shù)支持：優(yōu)狐
