讓肺部磁共振成像從“不可看”到“看得清”

　　◎本報記者 吳純新 實習生 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(xiàn)出來。影像中，氣體可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。

　　日前，中國科學院精密測量科學與技術(shù)創(chuàng)新研究院（以下簡稱精密測量院）院長周欣團隊攻克了新一代肺部成像快速采樣技術(shù)，將采樣時間由原來的6秒縮短到3.5秒，并顯著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(tǒng)臨床的其他影像學技術(shù)有哪些優(yōu)勢？其臨床應(yīng)用前景如何？科技日報記者采訪了相關(guān)專家。

　　磁共振成像是不可或缺的診斷手段

　　磁共振成像是一種醫(yī)學影像手段，它采用靜磁場、射頻磁場和無線電波，對人體組織結(jié)構(gòu)和生理功能進行成像。這一技術(shù)通過將人體置于靜磁場中，用無線電射頻脈沖激發(fā)人體內(nèi)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，被體外的接收器采集，再經(jīng)過計算機處理，即可獲得高對比度的清晰圖像。

　　經(jīng)過多年研究探索，具有無輻射損傷、軟組織分辨能力高、成像參數(shù)多、對比度高、圖像信息豐富等優(yōu)點的磁共振成像技術(shù)，如今被廣泛地用于臨床醫(yī)學，以評估大多數(shù)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(xiàn)代醫(yī)療體系中不可或缺的診斷手段。

　　傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)，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(qū)”。如何將磁共振成像技術(shù)應(yīng)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)等方面實現(xiàn)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毒無害、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，團隊先從安全無毒的稀有氣體中，篩選出了磁共振信號衰減時間較長的氦-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，再由電子通過費米接觸相互作用轉(zhuǎn)移至稀有氣體氙原子核上，使得氙氣體信號顯著增強，從而解決了肺部空腔氣體成像難題，點亮肺部“黑洞”。

　　在李海東看來，相對于傳統(tǒng)臨床的其他影像學技術(shù)，這一新技術(shù)具有兩大優(yōu)點。“首先，我們運用一種無放射性、無毒、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(yī)用氙氣體發(fā)生器，可將其磁共振信號增強5萬倍以上，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。另一方面，這項技術(shù)可定量、可視化評估人體的肺部微結(jié)構(gòu)、通氣及氣血交換功能，構(gòu)建含三大類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創(chuàng)可視化評估的空白。”李海東說。

　　團隊研發(fā)的肺部氣體多核磁共振成像系統(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，使肺部空腔影像診斷由“不可看”到“看得清”。

　　在這一研發(fā)探索的過程中，團隊創(chuàng)新了多種技術(shù)。李海東介紹，在縮短采樣時間方面，團隊運用壓縮感知和深度學習技術(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(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。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，顯著提高了氙磁共振圖像的空間分辨率和時間分辨率，同時保持圖像高質(zhì)量。

　　走向臨床應(yīng)用還需進一步完善各項參數(shù)

　　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最佳治療時機。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，慢阻肺已成為居民死因第三位。由此可見，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(tǒng)的應(yīng)用，科研人員在臨床試驗中發(fā)現(xiàn)，通過結(jié)合肺部通氣功能，對肺癌患者的放療計劃進行優(yōu)化，可以顯著降低患者肺部正常通氣區(qū)域的輻射劑量，減輕放療患者的痛苦。同時，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(jié)構(gòu)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(yīng)用至全國多家三甲醫(yī)院合作開展慢阻肺、腫瘤等疾病的臨床研究。這一全新的醫(yī)學影像技術(shù)的臨床應(yīng)用未來可期。

　　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(xù)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(tǒng)磁共振成像呈現(xiàn)的黑白照片，如果不同原子核能夠?qū)?yīng)不同的顏色，多核磁共振就相當于能呈現(xiàn)出彩色照片，為醫(yī)生提供更多的信息用于臨床診斷和治療。在醫(yī)學層面，團隊將基于人體肺部氣體多核磁共振成像系統(tǒng)，形成相應(yīng)的標準和規(guī)范，讓該系統(tǒng)更好地服務(wù)醫(yī)生，造福患者。“未來，我們將加快搶占新一代多核磁共振成像技術(shù)制高點，服務(wù)國家重大需求。”周欣說。