“中國沒有，國際也沒有，但不意味中國科學家不能做出來”
guancha
“這樣的裝備，我們太需要了，能否趕緊安裝到金銀潭醫院來？”
新冠疫情中，患者感染最多發的部位就是肺部，把肺部交換功能病變看清楚，對於病毒致肺生理損傷機制研究和臨牀治療非常重要。
2020年2月，正是武漢阻擊新冠疫情最關鍵的時期，時任武漢市金銀潭醫院院長的張定宇得知中國科學院精密測量科學與技術創新研究院（以下簡稱精密測量院）研製出“人體肺部多核磁共振成像系統”後，當即提出需求。
“全力支持！一台不夠就想辦法再多調幾台過去！”收到精密測量院轉達的來自武漢戰“疫”最前線的請援，中國科學院黨組果斷指示。
中國科學院研究團隊主導研發的這款國產高端醫療設備，在抗疫最前線發揮了重要作用。但很多人不知道的是，為了這台能夠“點亮”肺部的設備，相關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。
權威機構統計，近年來肺癌位居我國惡性腫瘤發病率和死亡率首位。提高對肺部疾病的檢測技術水平，及時對肺部疾病進行篩查，開展“肺裏緝兇”，是事關人民生命健康的大事。
肺部常規影像學檢測手段包括胸透和CT（計算機斷層掃描）等，但這些技術都有電離輻射，並且無法實現肺部通氣、氣血交換功能定量檢測。臨牀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，傳統的臨牀影像檢測設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構的變化，在常規磁共振成像中，肺部往往是一個無法看清的“黑洞”。
“如果我們能研製出一套更精密的設備‘點亮’肺部，就能提高對肺部疾病的檢測技術水平，有望實現肺部疾病早發現、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啓了這項研究。
項目牽頭人周欣彼時剛從美國訪學歸來，對這項前沿設備研發工作滿懷憧憬。
周欣讀博期間開展超靈敏磁共振研究。
當時能夠“點亮”肺部的高端臨牀成像儀器，不僅中國沒有，國際上也沒有。但是，這並不意味着中國科學家不能做出來。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當——中國科學院武漢物理與數學研究所（精密測量院前身之一，以下簡稱武漢物數所）的核磁共振學科有半個多世紀的歷史，經過中國科學院院士葉朝輝、劉買利等眾多科學家的不懈努力，使中國在該學科領域走在了國際前沿。
2013年，周欣作為首席科學家，在武漢牽頭啓動國家自然科學基金委國家重大科研儀器設備研製專項“用於人體肺部重大疾病研究的磁共振成像儀器系統研製”，開啓了艱難攻關。
“點亮”
“緝兇”的關鍵在於“點亮”肺部“黑洞”。至於如何“點亮”肺部，研究團隊一早就確立了基本的研發思路——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”裏的各個位置。
思路看似簡單，但要將其變成現實卻不是件容易的事。
起初，團隊根據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成本昂貴且不溶於血液，不能滿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、脂溶性和化學位移敏感性，在肺部功能探測方面具有十分獨特的優勢。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”。“臨牀磁共振成像信號來源於人體中的水質子，肺部是空腔組織，其水質子的密度僅為正常組織的千分之一，如何實現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製成功，但都有一個共同的信念——做科研不能急，不求一鳴驚人，只求一戰到底！”謝軍帥説。
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，通過激光增強技術把激光角動量轉移至鹼金屬原子電子，再由電子通過相互作用轉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。
他們研發的醫用氙氣體發生器，在無創情況下有效解決了CT等臨牀常規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”變為“可看”，截至2019年底，已將磁共振信號增強7萬倍。
他們研製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，實現了從“看清”到“好看”的飛躍。
他們提出變採樣率加速模式和多b值磁共振彌散加權成像圖像聯合重建方法，實現快速且高質量的圖像採集與重建，大大縮短了採樣時間。
他們採用特殊的k空間採樣軌跡填充技術和多呼吸採樣策略，顯著提高了氙磁共振圖像的空間分辨率和時間分辨率……
在各項創新技術、裝備的基礎上，團隊研發出“人體肺部多核磁共振成像系統”。該系統由醫用氙氣體發生器和多核磁共振成像系統兩大核心裝置組成，實現了臨牀單核向多核磁共振成像系統的拓展，填補了臨牀肺部氣體交換功能無創可視化評估的空白，開闢了我國臨牀多核磁共振成像新領域，處於國際領跑地位。
這是全球首台氣體肺部磁共振成像裝備。肺部患者只要吸一口氙氣，3.5秒後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，患者的肺部微結構、氣體交換功能情況等一目瞭然。
中國科學院團隊研發的“人體肺部多核磁共振成像系統”，有效解決了肺部結構和功能的無損、定量、可視化檢測技術背後的科學難題，讓肺部疾病“殺手”無處隱藏。同時，這一成果是我國高端醫療裝備領域少有的原始創新，實現了自主可控。
逆行
“人體肺部多核磁共振成像系統”的臨牀應用，比周欣預想的要快一些。
2020年1月22日，周欣正在北京推進醫療器械註冊事宜，得知武漢疫情加重的消息後，他坐不住了。當天晚上，周欣就從中國科學院機關搭上出租車，火急火燎地趕往機場。出租車司機聽説他要趕回武漢給醫院裝肺部成像檢測設備，一路狂飆，連車費也不要。“這時候還趕回武漢，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。大家都預感一場大仗要開始了，作為“國家隊”“國家人”，中國科學院的科研人員不能退縮！
即將結婚的團隊成員李海東悄悄給家人留下一封信後，連夜從河南自駕趕回武漢。他説：“我們不能不回去，因為我們的設備正是派上用場的時候，我們需要教會醫護人員怎麼用。”
武漢全城封閉，設備該如何運輸？他們就打報告申請把設備及時運送到醫院。設備運行需要的氙氣沒有了又該怎麼辦？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院。這輛小車，從位於武昌的精密測量院出發，經過武漢長江大橋，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，團隊將研製出的“人體肺部多核磁共振成像系統”安裝在武漢市金銀潭醫院，在全球率先開展新冠患者肺功能臨牀評估，同期還將設備應用於武漢同濟醫院等抗疫一線，共計對3000餘人次的新冠患者進行了肺部微結構和功能的全面評估。
人體肺部多核磁共振成像系統支持武漢戰“疫”。
在醫院裏，團隊成員每天穿着防護服工作十六七個小時，皮膚因汗水、酒精刺激出現紅腫，並且反覆出現過敏症狀……
他們的努力沒有白費。通過研究，他們在國際上率先發現，普通症出院患者肺部CT影像和吹氣肺功能參數雖無異常，但其肺部多核磁共振成像設備影像顯示通氣功能有輕微損傷、氣血交換功能明顯受損，大部分普通症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》子刊發表，並得到國際同行的高度關注。周欣還應美國約翰斯·霍普金斯大學醫學院邀請，作線上學術報告。英國牛津大學等機構也跟進開展相關研究，他們指出：“氣體磁共振成像技術能夠精確定位肺部生理受損部位。”
領跑
國產高端磁共振裝備在疫情中的出色表現並非偶然，從研製伊始，周欣團隊就聚焦服務人民生命健康的目標，以應用為導向，不斷推動裝備從實驗室走向社會。
2018年4月，精密測量院與相關企業共同成立科技轉化公司，負責“人體肺部多核磁共振成像系統”產業化，預計市場規模可達百億元以上。
經過不懈努力，周欣團隊研製出的“人體肺部多核磁共振成像系統”在全球率先獲得同類醫療器械註冊證並開展臨牀應用，成為全球首個可用於氣體成像的臨牀多核磁共振成像產品。
值得一提的是，“人體肺部多核磁共振成像系統”的聯合產業化單位——聯影集團的領導人薛敏，也是當年在武漢物數所讀研的年輕人之一。上世紀80年代，薛敏在武漢物數所獲得碩士學位。面對全球醫學影像設備被GPS（GE、Philips、Siemens）三家跨國企業壟斷的局面，薛敏41歲開始在深圳創業。近些年，他帶領企業與精密測量院等研究機構合作，在多項醫療設備上填補了國內空白。
中國科學院研究團隊主導研製的“人體肺部多核磁共振成像系統”已在中國人民解放軍總醫院、上海長征醫院、武漢金銀潭醫院、武漢大學中南醫院等全國十餘家三甲醫院和科研單位開展臨牀應用研究。
人體肺部多核磁共振成像系統進入臨牀應用 精密測量院供圖
經過優化改進，2024年2月，周欣團隊攻克了肺部成像快速採樣技術，將採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。這也使得自主研發的“人體肺部多核磁共振成像系統”越來越易用、好用。
目前，中國科學院和湖北省正支持精密測量院與華中科技大學共建生物醫學影像重大科技基礎設施。該項目建成後，將為我國生物醫學基礎研究以及高端生命科學儀器與醫學影像裝備的研製、應用提供更先進的實驗條件，提升生物醫學前沿和健康領域開展原創性研究的能力。
如今，周欣常常回想起中國科學院武漢分院時任院長葉朝輝在給研究生上專業課時講的一句話：“國產高端醫療設備一定要做出來！”當時，高端醫療設備被西方跨國企業壟斷，儀器採購價格、維修成本高昂，患者就醫成本極高。而隨着“人體肺部多核磁共振成像系統”的應用與推廣，這句話已經兑現。
2024年6月，“多核磁共振成像（MRI）裝備研製”項目榮獲國家技術發明獎二等獎。短暫的激動後，周欣更感重任在肩，他盼望着“點亮”肺部的多核磁共振成像系統儘早走進全國各地的醫院，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。
《中國科學報》 (2024-07-19 第4版 專題)