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【科技日報】讓肺部磁共振成像從“不可看”到“看得清”

來(lái)源:     時(shí)間:2024-03-20

本報記者 吳純新 實(shí)習生 楊茜茹

患者只需吸入特制的“氙氣”,3.5秒后一幅人體肺部磁共振3D影像就呈現出來(lái)。影像中,氣體可抵達肺部的位置清晰可見(jiàn),患者的肺部微結構、氣體交換功能情況等一目了然。

日前,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(jiǎn)稱(chēng)精密測量院)院長(cháng)周欣團隊攻克了新一代肺部成像快速采樣技術(shù),將采樣時(shí)間由原來(lái)的6秒縮短到3.5秒,并顯著(zhù)提升了圖像空間分辨率。

科研人員是如何突破肺部磁共振成像難題的?這一新突破相比傳統臨床的其他影像學(xué)技術(shù)有哪些優(yōu)勢?其臨床應用前景如何?科技日報記者采訪(fǎng)了相關(guān)專(zhuān)家。

磁共振成像是不可或缺的診斷手段

磁共振成像是一種醫學(xué)影像手段,它采用靜磁場(chǎng)、射頻磁場(chǎng)和無(wú)線(xiàn)電波,對人體組織結構和生理功能進(jìn)行成像。這一技術(shù)通過(guò)將人體置于靜磁場(chǎng)中,用無(wú)線(xiàn)電射頻脈沖激發(fā)人體內的氫原子核,引起氫原子核共振并吸收能量。在停止射頻脈沖后,氫原子核按特定頻率發(fā)射出電信號,并將吸收的能量釋放出來(lái),被體外的接收器采集,再經(jīng)過(guò)計算機處理,即可獲得高對比度的清晰圖像。

經(jīng)過(guò)多年研究探索,具有無(wú)輻射損傷、軟組織分辨能力高、成像參數多、對比度高、圖像信息豐富等優(yōu)點(diǎn)的磁共振成像技術(shù),如今被廣泛地用于臨床醫學(xué),以評估大多數主要器官疾病。磁共振成像與X光成像、超聲檢查、電子計算機斷層掃描(CT)等齊名,是現代醫療體系中不可或缺的診斷手段。

傳統磁共振成像以水質(zhì)子作為信號源,但人體的肺部是空腔結構,水質(zhì)子較少。因此,肺部就成為了人體磁共振成像的一大“盲區”。如何將磁共振成像技術(shù)應用于肺部疾病的診斷,成為科研人員積極探索的方向。

解決肺部空腔氣體成像難題

歷經(jīng)十余年攻關(guān),周欣團隊在氣體磁共振信號增強的超極化技術(shù)、超快肺部氣體磁共振成像技術(shù)、人體多核磁共振成像技術(shù)等方面實(shí)現了全面突破。

為了解決肺部檢測中氣體密度低導致磁共振成像信號極弱的難題,團隊首先需要尋找一種無(wú)毒無(wú)害、可溶于肺組織和血液且能讓磁共振信號增強的氣體造影劑。

精密測量院研究員李海東說(shuō),團隊先從安全無(wú)毒的稀有氣體中,篩選出了磁共振信號衰減時(shí)間較長(cháng)的氦-3和氙-129兩種元素。但氦-3成本昂貴且不溶于血液,不滿(mǎn)足肺部氣血交換功能的應用需求。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。因此,團隊最終選取氙-129氣體作為肺部造影劑。

在選定氙-129后,團隊還需將其磁共振信號增強。團隊由此發(fā)展了超極化技術(shù),即通過(guò)激光增強技術(shù)把激光角動(dòng)量轉移至堿金屬原子電子,再由電子通過(guò)費米接觸相互作用轉移至稀有氣體氙原子核上,使得氙氣體信號顯著(zhù)增強,從而解決了肺部空腔氣體成像難題,點(diǎn)亮肺部“黑洞”。

在李海東看來(lái),相對于傳統臨床的其他影像學(xué)技術(shù),這一新技術(shù)具有兩大優(yōu)點(diǎn)?!笆紫?,我們運用一種無(wú)放射性、無(wú)毒、可吸入的惰性氣體氙作為磁共振信號源。我們自主研制的醫用氙氣體發(fā)生器,可將其磁共振信號增強5萬(wàn)倍以上,在無(wú)創(chuàng )情況下有效解決了CT等臨床常規影像存在電離輻射的難題。另一方面,這項技術(shù)可定量、可視化評估人體的肺部微結構、通氣及氣血交換功能,構建含三大類(lèi)20余項指標的肺部生理評估體系。這填補了臨床肺氣體交換功能無(wú)創(chuàng )可視化評估的空白?!崩詈|說(shuō)。

團隊研發(fā)的肺部氣體多核磁共振成像系統由醫用氙氣體發(fā)生器和多核磁共振成像系統兩大核心裝置組成,實(shí)現了臨床單核向多核磁共振成像系統的拓展,使肺部空腔影像診斷由“不可看”到“看得清”。

在這一研發(fā)探索的過(guò)程中,團隊創(chuàng )新了多種技術(shù)。李海東介紹,在縮短采樣時(shí)間方面,團隊運用壓縮感知和深度學(xué)習技術(shù),創(chuàng )新性地提出了變采樣率加速模式和多b值磁共振彌散加權成像圖像聯(lián)合重建方法,實(shí)現快速且高質(zhì)量的圖像采集與重建。在提高圖像空間分辨率方面,團隊采用特殊的k空間采樣軌跡填充技術(shù)和多呼吸采樣策略,顯著(zhù)提高了氙磁共振圖像的空間分辨率和時(shí)間分辨率,同時(shí)保持圖像高質(zhì)量。

走向臨床應用還需進(jìn)一步完善各項參數

肺部病癥容易被忽視,且肺功能早期損傷檢測技術(shù)壁壘高,這導致了許多患者錯過(guò)最佳治療時(shí)機。當前,肺癌已成為我國發(fā)病率和致死率最高的癌癥;我國慢阻肺患者約9990萬(wàn),慢阻肺已成為居民死因第三位。由此可見(jiàn),肺部疾病的早期診斷至關(guān)重要。

基于肺部氣體多核磁共振成像系統的應用,科研人員在臨床試驗中發(fā)現,通過(guò)結合肺部通氣功能,對肺癌患者的放療計劃進(jìn)行優(yōu)化,可以顯著(zhù)降低患者肺部正常通氣區域的輻射劑量,減輕放療患者的痛苦。同時(shí),該技術(shù)還能靈敏檢測慢阻肺患者的肺通氣功能缺陷和微結構異常。這對慢阻肺的診療具有重要意義。

目前,該技術(shù)已被應用至全國多家三甲醫院合作開(kāi)展慢阻肺、腫瘤等疾病的臨床研究。這一全新的醫學(xué)影像技術(shù)的臨床應用未來(lái)可期。

周欣認為,讓肺部磁共振成像“看得更全、看得更清”,是團隊要繼續努力的方向。在技術(shù)層面,團隊正在加緊研發(fā)鈉、磷等更多原子核的臨床磁共振成像技術(shù)。相較于傳統磁共振成像呈現的黑白照片,如果不同原子核能夠對應不同的顏色,多核磁共振就相當于能呈現出彩色照片,為醫生提供更多的信息用于臨床診斷和治療。在醫學(xué)層面,團隊將基于人體肺部氣體多核磁共振成像系統,形成相應的標準和規范,讓該系統更好地服務(wù)醫生,造?;颊??!拔磥?lái),我們將加快搶占新一代多核磁共振成像技術(shù)制高點(diǎn),服務(wù)國家重大需求?!敝苄勒f(shuō)。

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