让肺部磁共振成像从“不可看”到“看得清”
患者只需吸入特制的“氙气”，3.5秒后一幅人体肺部磁共振3D影像就呈现出来。影像中，气体可抵达肺部的位置清晰可见，患者的肺部微结构、气体交换功能情况等一目了然。
日前，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院（以下简称精密测量院）院长周欣团队攻克了新一代肺部成像快速采样技术，将采样时间由原来的6秒缩短到3.5秒，并显著提升了图像空间分辨率。
科研人员是如何突破肺部磁共振成像难题的？这一新突破相比传统临床的其他影像学技术有哪些优势？其临床应用前景如何？科技日报记者采访了相关专家。
磁共振成像是不可或缺的诊断手段
磁共振成像是一种医学影像手段，它采用静磁场、射频磁场和无线电波，对人体组织结构和生理功能进行成像。这一技术通过将人体置于静磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内的氢原子核，引起氢原子核共振并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发射出电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的接收器采集，再经过计算机处理，即可获得高对比度的清晰图像。
经过多年研究探索，具有无辐射损伤、软组织分辨能力高、成像参数多、对比度高、图像信息丰富等优点的磁共振成像技术，如今被广泛地用于临床医学，以评估大多数主要器官疾病。磁共振成像与X光成像、超声检查、电子计算机断层扫描（CT）等齐名，是现代医疗体系中不可或缺的诊断手段。
传统磁共振成像以水质子作为信号源，但人体的肺部是空腔结构，水质子较少。因此，肺部就成为了人体磁共振成像的一大“盲区”。如何将磁共振成像技术应用于肺部疾病的诊断，成为科研人员积极探索的方向。
解决肺部空腔气体成像难题
历经十余年攻关，周欣团队在气体磁共振信号增强的超极化技术、超快肺部气体磁共振成像技术、人体多核磁共振成像技术等方面实现了全面突破。
为了解决肺部检测中气体密度低导致磁共振成像信号极弱的难题，团队首先需要寻找一种无毒无害、可溶于肺组织和血液且能让磁共振信号增强的气体造影剂。
精密测量院研究员李海东说，团队先从安全无毒的稀有气体中，筛选出了磁共振信号衰减时间较长的氦-3和氙-129两种元素。但氦-3成本昂贵且不溶于血液，不满足肺部气血交换功能的应用需求。而氙-129具有良好的生物惰性、脂溶性和化学位移敏感性，在肺部功能探测方面具有十分独特的优势。因此，团队最终选取氙-129气体作为肺部造影剂。
在选定氙-129后，团队还需将其磁共振信号增强。团队由此发展了超极化技术，即通过激光增强技术把激光角动量转移至碱金属原子电子，再由电子通过费米接触相互作用转移至稀有气体氙原子核上，使得氙气体信号显著增强，从而解决了肺部空腔气体成像难题，点亮肺部“黑洞”。
在李海东看来，相对于传统临床的其他影像学技术，这一新技术具有两大优点。“首先，我们运用一种无放射性、无毒、可吸入的惰性气体氙作为磁共振信号源。我们自主研制的医用氙气体发生器，可将其磁共振信号增强5万倍以上，在无创情况下有效解决了CT等临床常规影像存在电离辐射的难题。另一方面，这项技术可定量、可视化评估人体的肺部微结构、通气及气血交换功能，构建含三大类20余项指标的肺部生理评估体系。这填补了临床肺气体交换功能无创可视化评估的空白。”李海东说。
团队研发的肺部气体多核磁共振成像系统由医用氙气体发生器和多核磁共振成像系统两大核心装置组成，实现了临床单核向多核磁共振成像系统的拓展，使肺部空腔影像诊断由“不可看”到“看得清”。
在这一研发探索的过程中，团队创新了多种技术。李海东介绍，在缩短采样时间方面，团队运用压缩感知和深度学习技术，创新性地提出了变采样率加速模式和多b值磁共振弥散加权成像图像联合重建方法，实现快速且高质量的图像采集与重建。在提高图像空间分辨率方面，团队采用特殊的k空间采样轨迹填充技术和多呼吸采样策略，显著提高了氙磁共振图像的空间分辨率和时间分辨率，同时保持图像高质量。
走向临床应用还需进一步完善各项参数
肺部病症容易被忽视，且肺功能早期损伤检测技术壁垒高，这导致了许多患者错过最佳治疗时机。当前，肺癌已成为我国发病率和致死率最高的癌症；我国慢阻肺患者约9990万，慢阻肺已成为居民死因第三位。由此可见，肺部疾病的早期诊断至关重要。
基于肺部气体多核磁共振成像系统的应用，科研人员在临床试验中发现，通过结合肺部通气功能，对肺癌患者的放疗计划进行优化，可以显著降低患者肺部正常通气区域的辐射剂量，减轻放疗患者的痛苦。同时，该技术还能灵敏检测慢阻肺患者的肺通气功能缺陷和微结构异常。这对慢阻肺的诊疗具有重要意义。
目前，该技术已被应用至全国多家三甲医院合作开展慢阻肺、肿瘤等疾病的临床研究。这一全新的医学影像技术的临床应用未来可期。
周欣认为，让肺部磁共振成像“看得更全、看得更清”，是团队要继续努力的方向。在技术层面，团队正在加紧研发钠、磷等更多原子核的临床磁共振成像技术。相较于传统磁共振成像呈现的黑白照片，如果不同原子核能够对应不同的颜色，多核磁共振就相当于能呈现出彩色照片，为医生提供更多的信息用于临床诊断和治疗。在医学层面，团队将基于人体肺部气体多核磁共振成像系统，形成相应的标准和规范，让该系统更好地服务医生，造福患者。“未来，我们将加快抢占新一代多核磁共振成像技术制高点，服务国家重大需求。”周欣说。
患者只需吸入特制的“氙气”，3.5秒后一幅人体肺部磁共振3D影像就呈现出来。影像中，气体可抵达肺部的位置清晰可见，患者的肺部微结构、气体交换功能情况等一目了然。
日前，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院（以下简称精密测量院）院长周欣团队攻克了新一代肺部成像快速采样技术，将采样时间由原来的6秒缩短到3.5秒，并显著提升了图像空间分辨率。
科研人员是如何突破肺部磁共振成像难题的？这一新突破相比传统临床的其他影像学技术有哪些优势？其临床应用前景如何？科技日报记者采访了相关专家。
磁共振成像是不可或缺的诊断手段
磁共振成像是一种医学影像手段，它采用静磁场、射频磁场和无线电波，对人体组织结构和生理功能进行成像。这一技术通过将人体置于静磁场中，用无线电射频脉冲激发人体内的氢原子核，引起氢原子核共振并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原子核按特定频率发射出电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的接收器采集，再经过计算机处理，即可获得高对比度的清晰图像。
经过多年研究探索，具有无辐射损伤、软组织分辨能力高、成像参数多、对比度高、图像信息丰富等优点的磁共振成像技术，如今被广泛地用于临床医学，以评估大多数主要器官疾病。磁共振成像与X光成像、超声检查、电子计算机断层扫描（CT）等齐名，是现代医疗体系中不可或缺的诊断手段。
传统磁共振成像以水质子作为信号源，但人体的肺部是空腔结构，水质子较少。因此，肺部就成为了人体磁共振成像的一大“盲区”。如何将磁共振成像技术应用于肺部疾病的诊断，成为科研人员积极探索的方向。
解决肺部空腔气体成像难题
历经十余年攻关，周欣团队在气体磁共振信号增强的超极化技术、超快肺部气体磁共振成像技术、人体多核磁共振成像技术等方面实现了全面突破。
为了解决肺部检测中气体密度低导致磁共振成像信号极弱的难题，团队首先需要寻找一种无毒无害、可溶于肺组织和血液且能让磁共振信号增强的气体造影剂。
精密测量院研究员李海东说，团队先从安全无毒的稀有气体中，筛选出了磁共振信号衰减时间较长的氦-3和氙-129两种元素。但氦-3成本昂贵且不溶于血液，不满足肺部气血交换功能的应用需求。而氙-129具有良好的生物惰性、脂溶性和化学位移敏感性，在肺部功能探测方面具有十分独特的优势。因此，团队最终选取氙-129气体作为肺部造影剂。
在选定氙-129后，团队还需将其磁共振信号增强。团队由此发展了超极化技术，即通过激光增强技术把激光角动量转移至碱金属原子电子，再由电子通过费米接触相互作用转移至稀有气体氙原子核上，使得氙气体信号显著增强，从而解决了肺部空腔气体成像难题，点亮肺部“黑洞”。
在李海东看来，相对于传统临床的其他影像学技术，这一新技术具有两大优点。“首先，我们运用一种无放射性、无毒、可吸入的惰性气体氙作为磁共振信号源。我们自主研制的医用氙气体发生器，可将其磁共振信号增强5万倍以上，在无创情况下有效解决了CT等临床常规影像存在电离辐射的难题。另一方面，这项技术可定量、可视化评估人体的肺部微结构、通气及气血交换功能，构建含三大类20余项指标的肺部生理评估体系。这填补了临床肺气体交换功能无创可视化评估的空白。”李海东说。
团队研发的肺部气体多核磁共振成像系统由医用氙气体发生器和多核磁共振成像系统两大核心装置组成，实现了临床单核向多核磁共振成像系统的拓展，使肺部空腔影像诊断由“不可看”到“看得清”。
在这一研发探索的过程中，团队创新了多种技术。李海东介绍，在缩短采样时间方面，团队运用压缩感知和深度学习技术，创新性地提出了变采样率加速模式和多b值磁共振弥散加权成像图像联合重建方法，实现快速且高质量的图像采集与重建。在提高图像空间分辨率方面，团队采用特殊的k空间采样轨迹填充技术和多呼吸采样策略，显著提高了氙磁共振图像的空间分辨率和时间分辨率，同时保持图像高质量。
走向临床应用还需进一步完善各项参数
肺部病症容易被忽视，且肺功能早期损伤检测技术壁垒高，这导致了许多患者错过最佳治疗时机。当前，肺癌已成为我国发病率和致死率最高的癌症；我国慢阻肺患者约9990万，慢阻肺已成为居民死因第三位。由此可见，肺部疾病的早期诊断至关重要。
基于肺部气体多核磁共振成像系统的应用，科研人员在临床试验中发现，通过结合肺部通气功能，对肺癌患者的放疗计划进行优化，可以显著降低患者肺部正常通气区域的辐射剂量，减轻放疗患者的痛苦。同时，该技术还能灵敏检测慢阻肺患者的肺通气功能缺陷和微结构异常。这对慢阻肺的诊疗具有重要意义。
目前，该技术已被应用至全国多家三甲医院合作开展慢阻肺、肿瘤等疾病的临床研究。这一全新的医学影像技术的临床应用未来可期。
周欣认为，让肺部磁共振成像“看得更全、看得更清”，是团队要继续努力的方向。在技术层面，团队正在加紧研发钠、磷等更多原子核的临床磁共振成像技术。相较于传统磁共振成像呈现的黑白照片，如果不同原子核能够对应不同的颜色，多核磁共振就相当于能呈现出彩色照片，为医生提供更多的信息用于临床诊断和治疗。在医学层面，团队将基于人体肺部气体多核磁共振成像系统，形成相应的标准和规范，让该系统更好地服务医生，造福患者。“未来，我们将加快抢占新一代多核磁共振成像技术制高点，服务国家重大需求。”周欣说。
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