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。影像中，氣體可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了然。
日前，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）院長周欣團隊攻克了新一代肺部成像快速采樣技術，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臨床的其他影像學技術有哪些優勢？其臨床應用前景如何？科技日報記者采訪了相關專家。
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，對人體組織結構和生理功能進行成像。這一技術通過將人體置于靜磁場中，用無線電射頻脈沖激發人體內的氫原子核，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，再經過計算機處理，即可獲得高對比度的清晰圖像。
經過多年研究探索，具有無輻射損傷、軟組織分辨能力高、成像參數多、對比度高、圖像信息豐富等優點的磁共振成像技術，如今被廣泛地用于臨床醫學，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子作為信號源，但人體的肺部是空腔結構，水質子較少。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
歷經十余年攻關，周欣團隊在氣體磁共振信號增強的超極化技術、超快肺部氣體磁共振成像技術、人體多核磁共振成像技術等方面實現了全面突破。
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。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。團隊由此發展了超極化技術，即通過激光增強技術把激光角動量轉移至堿金屬原子電子，再由電子通過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，相對于傳統臨床的其他影像學技術，這一新技術具有兩大優點。“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。我們自主研制的醫用氙氣體發生器，可將其磁共振信號增強5萬倍以上，在無創情況下有效解決了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可視化評估的空白。”李海東說。
團隊研發的肺部氣體多核磁共振成像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”。
在這一研發探索的過程中，團隊創新了多種技術。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，創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合重建方法，實現快速且高質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，同時保持圖像高質量。
走向臨床應用還需進一步完善各項參數
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現，通過結合肺部通氣功能，對肺癌患者的放療計劃進行優化，可以顯著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，該技術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，該技術已被應用至全國多家三甲醫院合作開展慢阻肺、腫瘤等疾病的臨床研究。這一全新的醫學影像技術的臨床應用未來可期。
周欣認為，讓肺部磁共振成像“看得更全、看得更清”，是團隊要繼續努力的方向。在技術層面，團隊正在加緊研發鈉、磷等更多原子核的臨床磁共振成像技術。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醫生，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制高點，服務國家重大需求。”周欣說。
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。影像中，氣體可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了然。
日前，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）院長周欣團隊攻克了新一代肺部成像快速采樣技術，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臨床的其他影像學技術有哪些優勢？其臨床應用前景如何？科技日報記者采訪了相關專家。
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，對人體組織結構和生理功能進行成像。這一技術通過將人體置于靜磁場中，用無線電射頻脈沖激發人體內的氫原子核，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，再經過計算機處理，即可獲得高對比度的清晰圖像。
經過多年研究探索，具有無輻射損傷、軟組織分辨能力高、成像參數多、對比度高、圖像信息豐富等優點的磁共振成像技術，如今被廣泛地用于臨床醫學，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子作為信號源，但人體的肺部是空腔結構，水質子較少。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
歷經十余年攻關，周欣團隊在氣體磁共振信號增強的超極化技術、超快肺部氣體磁共振成像技術、人體多核磁共振成像技術等方面實現了全面突破。
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。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。團隊由此發展了超極化技術，即通過激光增強技術把激光角動量轉移至堿金屬原子電子，再由電子通過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，相對于傳統臨床的其他影像學技術，這一新技術具有兩大優點。“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。我們自主研制的醫用氙氣體發生器，可將其磁共振信號增強5萬倍以上，在無創情況下有效解決了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可視化評估的空白。”李海東說。
團隊研發的肺部氣體多核磁共振成像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”。
在這一研發探索的過程中，團隊創新了多種技術。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，創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合重建方法，實現快速且高質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，同時保持圖像高質量。
走向臨床應用還需進一步完善各項參數
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現，通過結合肺部通氣功能，對肺癌患者的放療計劃進行優化，可以顯著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，該技術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，該技術已被應用至全國多家三甲醫院合作開展慢阻肺、腫瘤等疾病的臨床研究。這一全新的醫學影像技術的臨床應用未來可期。
周欣認為，讓肺部磁共振成像“看得更全、看得更清”，是團隊要繼續努力的方向。在技術層面，團隊正在加緊研發鈉、磷等更多原子核的臨床磁共振成像技術。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醫生，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制高點，服務國家重大需求。”周欣說。
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