“這樣的裝備，我們太需要了，能否趕緊安裝到金銀潭醫(yī)院來？”

新冠疫情中，患者感染最多發(fā)的部位就是肺部，把肺部交換功能病變看清楚，對于病毒致肺生理損傷機制研究和臨床治療非常重要。

2020年2月，正是武漢阻擊新冠疫情最關(guān)鍵的時期，時任武漢市金銀潭醫(yī)院院長的張定宇得知中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院（以下簡稱精密測量院）研制出“人體肺部多核磁共振成像系統(tǒng)”后，當(dāng)即提出需求。

“全力支持！一臺不夠就想辦法再多調(diào)幾臺過去！”收到精密測量院轉(zhuǎn)達的來自武漢戰(zhàn)“疫”最前線的請援，中國科學(xué)院黨組果斷指示。

中國科學(xué)院研究團隊主導(dǎo)研發(fā)的這款國產(chǎn)高端醫(yī)療設(shè)備，在抗疫最前線發(fā)揮了重要作用。但很多人不知道的是，為了這臺能夠“點亮”肺部的設(shè)備，相關(guān)科研團隊苦心研究了十多年。

人體肺部多核磁共振成像系統(tǒng)外觀圖。

“緝兇”

肺是人體的重要器官，肺部疾病嚴重威脅人民生命健康。

權(quán)威機構(gòu)統(tǒng)計，近年來肺癌位居我國惡性腫瘤發(fā)病率和死亡率首位。提高對肺部疾病的檢測技術(shù)水平，及時對肺部疾病進行篩查，開展“肺里緝兇”，是事關(guān)人民生命健康的大事。

肺部常規(guī)影像學(xué)檢測手段包括胸透和CT（計算機斷層掃描）等，但這些技術(shù)都有電離輻射，并且無法實現(xiàn)肺部通氣、氣血交換功能定量檢測。臨床常用的磁共振成像雖然無電離輻射，但無法對肺部空腔進行成像。

簡單理解，傳統(tǒng)的臨床影像檢測設(shè)備雖能看到明顯的腫瘤等病灶，但難以探測肺部疾病早期氣血交換功能和微結(jié)構(gòu)的變化，在常規(guī)磁共振成像中，肺部往往是一個無法看清的“黑洞”。

“如果我們能研制出一套更精密的設(shè)備‘點亮’肺部，就能提高對肺部疾病的檢測技術(shù)水平，有望實現(xiàn)肺部疾病早發(fā)現(xiàn)、早診斷、早治療，挽救千千萬萬的生命！”十多年前，正是懷揣這份樸素的想法，精密測量院的科研人員開啟了這項研究。

項目牽頭人周欣彼時剛從美國訪學(xué)歸來，對這項前沿設(shè)備研發(fā)工作滿懷憧憬。

周欣讀博期間開展超靈敏磁共振研究。

當(dāng)時能夠“點亮”肺部的高端臨床成像儀器，不僅中國沒有，國際上也沒有。但是，這并不意味著中國科學(xué)家不能做出來。周欣告訴記者，這不是個人血性使然，而是國家需求的召喚；不是一腔孤勇，而是站在巨人肩頭的使命擔(dān)當(dāng)——中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所（精密測量院前身之一，以下簡稱武漢物數(shù)所）的核磁共振學(xué)科有半個多世紀的歷史，經(jīng)過中國科學(xué)院院士葉朝輝、劉買利等眾多科學(xué)家的不懈努力，使中國在該學(xué)科領(lǐng)域走在了國際前沿。

2013年，周欣作為首席科學(xué)家，在武漢牽頭啟動國家自然科學(xué)基金委國家重大科研儀器設(shè)備研制專項“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”，開啟了艱難攻關(guān)。

“點亮”

“緝兇”的關(guān)鍵在于“點亮”肺部“黑洞”。至于如何“點亮”肺部，研究團隊一早就確立了基本的研發(fā)思路——先尋找一種安全無毒、可吸入的氣體作為磁共振的信號源，再想辦法將這種信號增強到儀器可以清晰接收的程度，最終讓儀器“看清”肺部“黑洞”里的各個位置。

思路看似簡單，但要將其變成現(xiàn)實卻不是件容易的事。

起初，團隊根據(jù)核磁共振信號衰減時長來尋找氣體。他們從安全無毒的稀有氣體中，篩選出磁共振信號衰減時間較長的氦-3和氙-129兩種元素。但他們很快就注意到，氦-3成本昂貴且不溶于血液，不能滿足肺部氣血交換功能的應(yīng)用需求，而氙-129具有良好的生物惰性、脂溶性和化學(xué)位移敏感性，在肺部功能探測方面具有十分獨特的優(yōu)勢。最終，團隊選定氙-129氣體為肺部造影劑。

有了造影劑，接下來要解決的問題就是增強氙-129的磁共振信號，讓氙氣“顯影”。

精密測量院磁共振中心工程師謝軍帥將這段研究歷程稱為“坐‘冷板凳’的日子”?！芭R床磁共振成像信號來源于人體中的水質(zhì)子，肺部是空腔組織，其水質(zhì)子的密度僅為正常組織的千分之一，如何實現(xiàn)肺部空腔氣體成像是困擾研究人員的一大難題。大家雖然不清楚何時能夠研制成功，但都有一個共同的信念——做科研不能急，不求一鳴驚人，只求一戰(zhàn)到底！”謝軍帥說。

在各方支持下，研究團隊取得了一系列突破。

他們摸索出超極化技術(shù)，通過激光增強技術(shù)把激光角動量轉(zhuǎn)移至堿金屬原子電子，再由電子通過相互作用轉(zhuǎn)移至稀有氣體氙原子核上，將氙氣體信號顯著增強，解決了肺部空腔氣體成像難題。

他們研發(fā)的醫(yī)用氙氣體發(fā)生器，在無創(chuàng)情況下有效解決了CT等臨床常規(guī)影像存在電離輻射的難題，讓肺部氣體磁共振成像從“不可看”變?yōu)椤翱煽础?，截?019年底，已將磁共振信號增強7萬倍。

他們研制的可穿戴式人體肺部多核磁共振成像探頭和升降頻多通道射頻裝置，實現(xiàn)了從“看清”到“好看”的飛躍。

他們提出變采樣率加速模式和多b值磁共振彌散加權(quán)成像圖像聯(lián)合重建方法，實現(xiàn)快速且高質(zhì)量的圖像采集與重建，大大縮短了采樣時間。

他們采用特殊的k空間采樣軌跡填充技術(shù)和多呼吸采樣策略，顯著提高了氙磁共振圖像的空間分辨率和時間分辨率……

在各項創(chuàng)新技術(shù)、裝備的基礎(chǔ)上，團隊研發(fā)出“人體肺部多核磁共振成像系統(tǒng)”。該系統(tǒng)由醫(yī)用氙氣體發(fā)生器和多核磁共振成像系統(tǒng)兩大核心裝置組成，實現(xiàn)了臨床單核向多核磁共振成像系統(tǒng)的拓展，填補了臨床肺部氣體交換功能無創(chuàng)可視化評估的空白，開辟了我國臨床多核磁共振成像新領(lǐng)域，處于國際領(lǐng)跑地位。

這是全球首臺氣體肺部磁共振成像裝備。肺部患者只要吸一口氙氣，3.5秒后就能得到一幅人體肺部磁共振3D影像。影像中，氣體抵達肺部的位置清晰可見，患者的肺部微結(jié)構(gòu)、氣體交換功能情況等一目了然。

中國科學(xué)院團隊研發(fā)的“人體肺部多核磁共振成像系統(tǒng)”，有效解決了肺部結(jié)構(gòu)和功能的無損、定量、可視化檢測技術(shù)背后的科學(xué)難題，讓肺部疾病“殺手”無處隱藏。同時，這一成果是我國高端醫(yī)療裝備領(lǐng)域少有的原始創(chuàng)新，實現(xiàn)了自主可控。

逆行

“人體肺部多核磁共振成像系統(tǒng)”的臨床應(yīng)用，比周欣預(yù)想的要快一些。

2020年1月22日，周欣正在北京推進醫(yī)療器械注冊事宜，得知武漢疫情加重的消息后，他坐不住了。當(dāng)天晚上，周欣就從中國科學(xué)院機關(guān)搭上出租車，火急火燎地趕往機場。出租車司機聽說他要趕回武漢給醫(yī)院裝肺部成像檢測設(shè)備，一路狂飆，連車費也不要?！斑@時候還趕回武漢，我不能收你車費。”司機的話令周欣頗為感動。

團隊其他研究人員也不約而同地從外地往武漢趕。大家都預(yù)感一場大仗要開始了，作為“國家隊”“國家人”，中國科學(xué)院的科研人員不能退縮！

即將結(jié)婚的團隊成員李海東悄悄給家人留下一封信后，連夜從河南自駕趕回武漢。他說：“我們不能不回去，因為我們的設(shè)備正是派上用場的時候，我們需要教會醫(yī)護人員怎么用。”

武漢全城封閉，設(shè)備該如何運輸？他們就打報告申請把設(shè)備及時運送到醫(yī)院。設(shè)備運行需要的氙氣沒有了又該怎么辦？周欣決定自己開車，把座椅放倒，拉上氣瓶，和團隊成員一起趕往醫(yī)院。這輛小車，從位于武昌的精密測量院出發(fā)，經(jīng)過武漢長江大橋，在昔日車水馬龍、燈火輝煌的路上，孤獨而堅定地前行。

很快，在張定宇的支持下，團隊將研制出的“人體肺部多核磁共振成像系統(tǒng)”安裝在武漢市金銀潭醫(yī)院，在全球率先開展新冠患者肺功能臨床評估，同期還將設(shè)備應(yīng)用于武漢同濟醫(yī)院等抗疫一線，共計對3000余人次的新冠患者進行了肺部微結(jié)構(gòu)和功能的全面評估。

人體肺部多核磁共振成像系統(tǒng)支持武漢戰(zhàn)“疫”。

在醫(yī)院里，團隊成員每天穿著防護服工作十六七個小時，皮膚因汗水、酒精刺激出現(xiàn)紅腫，并且反復(fù)出現(xiàn)過敏癥狀……

他們的努力沒有白費。通過研究，他們在國際上率先發(fā)現(xiàn)，普通癥出院患者肺部CT影像和吹氣肺功能參數(shù)雖無異常，但其肺部多核磁共振成像設(shè)備影像顯示通氣功能有輕微損傷、氣血交換功能明顯受損，大部分普通癥出院患者的通氣和氣血交換功能在第六個月隨訪時有進程性改善。

該成果在《科學(xué)》子刊發(fā)表，并得到國際同行的高度關(guān)注。周欣還應(yīng)美國約翰斯·霍普金斯大學(xué)醫(yī)學(xué)院邀請，作線上學(xué)術(shù)報告。英國牛津大學(xué)等機構(gòu)也跟進開展相關(guān)研究，他們指出：“氣體磁共振成像技術(shù)能夠精確定位肺部生理受損部位?！?

領(lǐng)跑

國產(chǎn)高端磁共振裝備在疫情中的出色表現(xiàn)并非偶然，從研制伊始，周欣團隊就聚焦服務(wù)人民生命健康的目標，以應(yīng)用為導(dǎo)向，不斷推動裝備從實驗室走向社會。

2018年4月，精密測量院與相關(guān)企業(yè)共同成立科技轉(zhuǎn)化公司，負責(zé)“人體肺部多核磁共振成像系統(tǒng)”產(chǎn)業(yè)化，預(yù)計市場規(guī)?？蛇_百億元以上。

經(jīng)過不懈努力，周欣團隊研制出的“人體肺部多核磁共振成像系統(tǒng)”在全球率先獲得同類醫(yī)療器械注冊證并開展臨床應(yīng)用，成為全球首個可用于氣體成像的臨床多核磁共振成像產(chǎn)品。

值得一提的是，“人體肺部多核磁共振成像系統(tǒng)”的聯(lián)合產(chǎn)業(yè)化單位——聯(lián)影集團的領(lǐng)導(dǎo)人薛敏，也是當(dāng)年在武漢物數(shù)所讀研的年輕人之一。上世紀80年代，薛敏在武漢物數(shù)所獲得碩士學(xué)位。面對全球醫(yī)學(xué)影像設(shè)備被GPS（GE、Philips、Siemens）三家跨國企業(yè)壟斷的局面，薛敏41歲開始在深圳創(chuàng)業(yè)。近些年，他帶領(lǐng)企業(yè)與精密測量院等研究機構(gòu)合作，在多項醫(yī)療設(shè)備上填補了國內(nèi)空白。

中國科學(xué)院研究團隊主導(dǎo)研制的“人體肺部多核磁共振成像系統(tǒng)”已在中國人民解放軍總醫(yī)院、上海長征醫(yī)院、武漢金銀潭醫(yī)院、武漢大學(xué)中南醫(yī)院等全國十余家三甲醫(yī)院和科研單位開展臨床應(yīng)用研究。

人體肺部多核磁共振成像系統(tǒng)進入臨床應(yīng)用 精密測量院供圖

經(jīng)過優(yōu)化改進，2024年2月，周欣團隊攻克了肺部成像快速采樣技術(shù)，將采樣時間進一步縮短至3.5秒，同時使圖像分辨率進一步提高，更好地為無法長時間屏氣的肺部疾病患者服務(wù)。這也使得自主研發(fā)的“人體肺部多核磁共振成像系統(tǒng)”越來越易用、好用。

目前，中國科學(xué)院和湖北省正支持精密測量院與華中科技大學(xué)共建生物醫(yī)學(xué)影像重大科技基礎(chǔ)設(shè)施。該項目建成后，將為我國生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究以及高端生命科學(xué)儀器與醫(yī)學(xué)影像裝備的研制、應(yīng)用提供更先進的實驗條件，提升生物醫(yī)學(xué)前沿和健康領(lǐng)域開展原創(chuàng)性研究的能力。

如今，周欣常常回想起中國科學(xué)院武漢分院時任院長葉朝輝在給研究生上專業(yè)課時講的一句話：“國產(chǎn)高端醫(yī)療設(shè)備一定要做出來！”當(dāng)時，高端醫(yī)療設(shè)備被西方跨國企業(yè)壟斷，儀器采購價格、維修成本高昂，患者就醫(yī)成本極高。而隨著“人體肺部多核磁共振成像系統(tǒng)”的應(yīng)用與推廣，這句話已經(jīng)兌現(xiàn)。

2024年6月，“多核磁共振成像（MRI）裝備研制”項目榮獲國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。短暫的激動后，周欣更感重任在肩，他盼望著“點亮”肺部的多核磁共振成像系統(tǒng)盡早走進全國各地的醫(yī)院，成為老百姓檢查單上“看得懂”“用得上”“用得起”的檢查工具，為解決肺部疾病診治難題提供中國智慧。

《中國科學(xué)報》 (2024-07-19 第4版 專題)