中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所成功研制出氣體產(chǎn)率高、控制自動化、可移動式的氙-129氣體極化裝置，該裝置能夠形成肺部清晰影像，為攻克肺癌、塵肺等高發(fā)頑疾提供有力數(shù)據(jù)支撐——

　　傳統(tǒng)磁共振成像技術(shù)的“盲區(qū)”——肺部，如今終于被中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所“點亮”。9月6日，一例肺病（哮喘）志愿者在接受了超級化氙-129肺部磁共振儀器檢測后，首幅病人人體超極化氣體肺部磁共振影像誕生。該影像不僅能清晰地看到病人的病變部位，還能提供一系列評價肺部功能的數(shù)據(jù)。這就意味著，今后，醫(yī)生不僅可以利用磁共振技術(shù)對肺病發(fā)作的前期診療做出更科學(xué)和清晰的影像判斷，還可以看清肺部功能變化，并在臨床上建立龐大的參數(shù)庫，為攻克肺癌、塵肺等高發(fā)頑疾提供強大的數(shù)據(jù)支撐。

　　6秒看透整個肺部

　　武漢大學(xué)23歲的醫(yī)學(xué)院學(xué)生小鄒患有哮喘，“一到下雨天就感覺憋得喘不上氣來?！背嘶镜姆喂δ軝z查，小鄒還到醫(yī)院拍了CT片（計算機斷層掃描），但是目前的這些技術(shù)手段都不能完全清晰地看到小鄒的肺部細節(jié)。自己的肺部究竟有幾個病灶？病變對肺部的功能影響怎樣？小鄒期待一架“像素更高”的“相機”為肺部拍照后能回答這些疑問。

　　日前，中國科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所的一項研究讓小鄒如愿以償。9月6日，小鄒成為該研究所研制的超級化氙-129肺部磁共振儀器的第一位受試肺病患者，這臺儀器通過磁共振的方法對小鄒的肺部進行了成像。

　　在中科院武漢物理數(shù)學(xué)所波譜與原子分子物理國家重點實驗室，為了讓小鄒能提早適應(yīng)呼吸不同的氣體，在醫(yī)生的指導(dǎo)下，小鄒用氮氣進行了兩次吸氣練習(xí)。之后，小鄒穿好布滿了高靈敏肺部成像探頭的馬甲，被推入核磁共振譜儀。他既不需要被注射什么藥劑，也不用任何器械介入，只需要像潛水之前的深呼吸一樣，把一袋密封好的超級化氙氣吸進去，憋氣6秒左右，檢測室外的電腦屏幕上就清晰地顯示出小鄒的肺部磁共振影像。

　　“真是太快了！”小鄒說。一般核磁共振的檢測手段至少要一刻鐘，長的時候甚至需要半個小時，短短6秒就成像，還沒反應(yīng)過來，檢查就宣告結(jié)束了。這樣的速度連醫(yī)生也覺得有點不可思議。

　　6秒成像質(zhì)量如何？在小鄒的肺部影像上，左肺葉下部有一塊明顯的通氣缺陷，對比之前小鄒所做的CT圖像，這個結(jié)果與傳統(tǒng)檢測方法顯示的結(jié)果一致；然而，影像中右肺葉上清晰地顯示出一個小黑點卻是利用CT檢測不到的新的病變組織?！斑@個小黑點表示這部分肺泡已經(jīng)不能實現(xiàn)氣體交換，也就是說這是一個小的病灶?！蔽錆h大學(xué)中南醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像中心教授吳光耀說。

　　讓肺部的小細節(jié)暴露無遺，這對于肺部疾病的認識和診療意義重大。“病灶有小的，有大的，有時候是小病灶與大病灶共存，有時候全部都是小病灶。對于疾病的多種不同的表現(xiàn)形式，看得越清，越有利于診斷?！眳枪庖f。

　　在小鄒的整個肺部診療中，通過無創(chuàng)的方法就能實現(xiàn)可視化的評估。“病在哪里不是憑著醫(yī)生一張嘴說，這個病變結(jié)果就顯示在電腦上，誰都可以看到。而且對于肺功能的判斷以往大夫之間會有差別，可視化的方法讓評判更加標(biāo)準化、客觀化?？梢哉f，這項技術(shù)對評估病人病情、了解整個疾病的發(fā)病過程、預(yù)后的判斷乃至對研制新藥物療效的評價，都會有很好的幫助。”吳光耀說。

　　特制氙氣放大“盲區(qū)”信號

　　以往的肺部成像更多選用常規(guī)的胸透、計算機斷層掃描（CT）和正電子發(fā)射計算機斷層掃描（PET）等技術(shù)，這些技術(shù)一方面有放射性，可能對人身體產(chǎn)生一定傷害，更重要的是，它們都不能全面提供衡量肺部健康狀態(tài)的重要指標(biāo)——肺部氣-氣交換和氣-血交換功能指標(biāo)。

　　與這些常規(guī)的技術(shù)不同，磁共振技術(shù)是一種對人體無放射性傷害的檢測手段。不僅能對人體大部分組織器官的結(jié)構(gòu)進行成像，而且能夠?qū)ζ涔δ苓M行成像，在醫(yī)學(xué)診斷和研究中顯示出諸多優(yōu)越性。但遺憾的是，用磁共振檢測人體，大部分組織都可以成像，唯獨肺部區(qū)域呈現(xiàn)大面積的黑色，猶如一個神秘的黑洞，成為這項技術(shù)無法感知的“盲區(qū)”。

　　磁共振為什么單單不能看透肺部呢？專家介紹，由于磁共振技術(shù)是基于人體中水質(zhì)子的信號，但肺部內(nèi)多是氣體和空腔組織，其水質(zhì)子的濃度比正常組織低約1000倍，因此磁共振技術(shù)無法實現(xiàn)肺部的可視化。

　　要“點亮”肺部，就要獲得信號增強大于數(shù)萬倍的氣體信號。這種氣體需要滿足4個條件：自旋二分之一、信號保持時間長、無毒、沒有生物體背景噪音?？茖W(xué)家在元素周期表上篩來篩去，只有兩種氣體滿足這些屬性：氦-3和氙-129。

　　實際上在中科院之前，美國科學(xué)家就在用氦-3進行試驗，也取得了一定成效，但中科院卻沒有沿著這條老路走下去，而是果斷選擇了后者?！坝袃牲c原因，一是相比氙氣，氦-3氣體資源在地球上極其稀缺，制備的成本非常高，大面積應(yīng)用于臨床有一定的挑戰(zhàn)。二是肺功能主要體現(xiàn)在氣體與氣體交換、氣體與血液交換兩個方面。氦-3只能檢測氣體與氣體交換，檢測不了氣血交換，而氙氣兩種都可以檢測。”中科院武漢物數(shù)所波譜與原子分子物理國家重點實驗室研究員周欣說。

　　這個聽起來像“仙氣”的氙氣對于人們而言其實并不陌生，在大眾生活中被廣泛應(yīng)用，比如汽車的氙燈、霓虹燈、LED的屏幕等都是利用氙氣制成。專家介紹，氙氣是一種惰性氣體，類似于空氣中的氮氣，不與人體組織產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，無毒無害。

　　親自參與了試驗的小鄒證實了這一點?！半瘹鉀]有味道，吸入后也不會感覺難受，就和呼吸空氣差不多?！毙∴u說。周欣告訴《經(jīng)濟日報》記者，因為人一般的肺活量是3升，平常呼出去吸進來的量約為一升，還有兩升氣體留存在肺里，因此，在對小鄒的檢測過程中，小鄒吸入700毫升氙氣加上200毫升的氧氣，這就和平時呼吸的感受基本上一樣。

　　普通的氙氣并不足以“點亮”肺部，關(guān)鍵是要“超極化”，即增強氣體的信號強度，這是整個研究的難點所在。

　　如何克服這項技術(shù)難關(guān)？“每個人身體里都有水，水分子中每個質(zhì)子都有自旋，就像一個個微觀的‘陀螺’。自旋大約一半朝上，一半朝下，就基本抵消了，磁性就會變?nèi)?，信號就沒那么強。人體肺部超極化氣體磁共振技術(shù)，就是要讓微觀世界的原子核自旋的‘陀螺’朝一個方向旋轉(zhuǎn)，角動量積聚而非抵消，從而極大增強氣體信號，進而讓肺部氣體‘可視’成為可能。為此，科學(xué)家通過激光把光子角動量轉(zhuǎn)移到電子，再由電子轉(zhuǎn)移到磁共振的核自旋上，讓質(zhì)子自旋的方向排列基本一致，變成朝著一個方向走的‘方陣隊伍’，磁性大大增強。”周欣說。

　　利用這個原理，武漢物數(shù)所成功研制出了氣體產(chǎn)率高、控制自動化、可移動式的氙-129氣體極化裝置，這種裝置能夠?qū)⒃雍俗孕臉O化度增強倍數(shù)提高到4.4萬倍以上，從而使肺部氣體磁共振信號可以被接收繼而形成肺部影像，從此，肺部不再是磁共振盲區(qū)，利用磁共振這一優(yōu)越技術(shù)，將大大推動早期肺部重大疾病的深入研究。

　　看肺部“顏值”更看功能

　　用磁共振拍攝一張肺部影像，能顯示完整的肺部結(jié)構(gòu)，氣管、支氣管、肺葉清晰可見。并且憑借增強4.4萬倍的氣體信號，能展示肺部3D立體重建效果圖。然而，點亮肺部的技術(shù)看的不僅僅是肺部“顏值”，更重要的是可以對于肺部通氣功能、氣血交換的生理功能也進行定量的評價，以前無法用影像檢測的肺部氣血交換時間、肺部氧消耗能力的空間分布等，現(xiàn)在都可以通過這項技術(shù)全部看到。

　　通過點亮肺部，能獲得哪些指標(biāo)？“首先能獲知肺泡的表面體積比和肺泡的壁厚等參數(shù)，其次能得到血液里血紅蛋白和血清的數(shù)量，最后還能得知要用多長時間，氣體才能進入到血液里面?！敝苄勒f。

　　在醫(yī)學(xué)中，這些都是重要的指標(biāo)參數(shù)。“舉個例子，如果是一個肺部纖維化的病人，氣血穿過纖維化的屏障，交換時間變長，氧氣消耗時間變長，人們可能短期感覺不到，但供氧速度長期跟不上，就可能導(dǎo)致癌癥等疾病的發(fā)生?，F(xiàn)在通過新的技術(shù)手段能夠定量化地檢測氣血交換的各項參數(shù)，對于科學(xué)研究肺部疾病的發(fā)生發(fā)展過程有重要的意義?！敝苄勒f。

　　“今后這項技術(shù)還要做多模態(tài)的比較，現(xiàn)在我們正在著手做更多的實驗，建立真正的肺疾病數(shù)據(jù)庫，憑借超極化氣體這項技術(shù)，很多疾病的認識會重新改變，我們要為新的知識的獲取尋找更客觀的依據(jù)做支撐?！眳枪庖f。

　　周欣希望憑借這項技術(shù)得出更多定量且全面的生理參數(shù)。“我們至少要做一百例病人，并對他們進行長期跟蹤，獲得一般正常的指標(biāo)的范圍，然后用這個指標(biāo)輔助篩選和診斷。”周欣說。

　　此外，技術(shù)方面，周欣及其團隊還將進一步提高氣體的極化度，增強信號的強度，制作電路系統(tǒng)和線圈等，并將此項技術(shù)和分子探針結(jié)合，檢測不同的癌細胞，從分子和細胞層面對重大疾病做診斷。

　　專家表示，這項技術(shù)將在我國有非常大的應(yīng)用空間，因為近年來，由于吸煙、空氣污染、人口老齡化等多種因素，慢性阻塞性肺疾病、哮喘、塵肺等肺部發(fā)病率逐年上升。我國2015年發(fā)布的腫瘤發(fā)病率統(tǒng)計年報表明，肺癌的發(fā)病率和死亡率仍然居惡性腫瘤首位。

　　目前，超極化氣體肺部磁共振成像設(shè)備已經(jīng)在哮喘、慢阻肺、肺纖維化等多種肺部疾病研究的診斷及預(yù)后的評估中具備了有效性和優(yōu)越性，但是該儀器現(xiàn)在還未用于臨床。國內(nèi)外醫(yī)學(xué)界已經(jīng)意識到這項技術(shù)的潛力，并正在開展相關(guān)研究。周欣及其團隊希望該技術(shù)能盡早實現(xiàn)臨床應(yīng)用，以早日造福肺病患者。