氙129肺部磁共振儀器檢測:一口“仙氣”點亮肺部

　　上圖為中科院武漢物數所周欣在操作“點亮”肺部的核心設備：一臺能放大氙氣信號的自主研發設備。中圖為中科院武漢物數所的研究團隊發布我國首幅超極化氙-129肺部磁共振影像。經濟日報記者 杜 芳 攝 下圖為受試者被推進核磁共振譜儀進行檢測。

　　中國科學院武漢物理與數學研究所成功研制出氣體產率高、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、塵肺等高發頑疾提供有力數據支撐——

　　傳統磁共振成像技術的“盲區”——肺部，如今終于被中國科學院武漢物理與數學研究所“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據。這就意味著，今后，醫生不僅可以利用磁共振技術對肺病發作的前期診療做出更科學和清晰的影像判斷，還可以看清肺部功能變化，并在臨床上建立龐大的參數庫，為攻克肺癌、塵肺等高發頑疾提供強大的數據支撐。

　　6秒看透整個肺部

　　武漢大學23歲的醫學院學生小鄒患有哮喘，“一到下雨天就感覺憋得喘不上氣來。”除了基本的肺功能檢查，小鄒還到醫院拍了CT片（計算機斷層掃描），但是目前的這些技術手段都不能完全清晰地看到小鄒的肺部細節。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，中國科學院武漢物理與數學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學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呼吸不同的氣體，在醫生的指導下，小鄒用氮氣進行了兩次吸氣練習。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，還沒反應過來，檢查就宣告結束了。這樣的速度連醫生也覺得有點不可思議。

　　6秒成像質量如何？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，這個結果與傳統檢測方法顯示的結果一致；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。“這個小黑點表示這部分肺泡已經不能實現氣體交換，也就是說這是一個小的病灶。”武漢大學中南醫院醫學影像中心教授吳光耀說。

　　讓肺部的小細節暴露無遺，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形式，看得越清，越有利于診斷。”吳光耀說。

　　在小鄒的整個肺部診療中，通過無創的方法就能實現可視化的評估。“病在哪里不是憑著醫生一張嘴說，這個病變結果就顯示在電腦上，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準化、客觀化。可以說，這項技術對評估病人病情、了解整個疾病的發病過程、預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”信號

　　以往的肺部成像更多選用常規的胸透、計算機斷層掃描（CT）和正電子發射計算機斷層掃描（PET）等技術，這些技術一方面有放射性，可能對人身體產生一定傷害，更重要的是，它們都不能全面提供衡量肺部健康狀態的重要指標——肺部氣-氣交換和氣-血交換功能指標。

　　與這些常規的技術不同，磁共振技術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構進行成像，而且能夠對其功能進行成像，在醫學診斷和研究中顯示出諸多優越性。但遺憾的是，用磁共振檢測人體，大部分組織都可以成像，唯獨肺部區域呈現大面積的黑色，猶如一個神秘的黑洞，成為這項技術無法感知的“盲區”。

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

　　要“點亮”肺部，就要獲得信號增強大于數萬倍的氣體信號。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。科學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。“有兩點原因，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，大面積應用于臨床有一定的挑戰。二是肺功能主要體現在氣體與氣體交換、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，不與人體組織產生化學反應，無毒無害。

　　親自參與了試驗的小鄒證實了這一點。“氙氣沒有味道，吸入后也不會感覺難受，就和呼吸空氣差不多。”小鄒說。周欣告訴《經濟日報》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。

　　如何克服這項技術難關？“每個人身體里都有水，水分子中每個質子都有自旋，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，磁性就會變弱，信號就沒那么強。人體肺部超極化氣體磁共振技術，就是要讓微觀世界的原子核自旋的"陀螺"朝一個方向旋轉，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，科學家通過激光把光子角動量轉移到電子，再由電子轉移到磁共振的核自旋上，讓質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，武漢物數所成功研制出了氣體產率高、控制自動化、可移動式的氙-129氣體極化裝置，這種裝置能夠將原子核自旋的極化度增強倍數提高到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，利用磁共振這一優越技術，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構，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，現在都可以通過這項技術全部看到。

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

　　在醫學中，這些都是重要的指標參數。“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，就可能導致癌癥等疾病的發生。現在通過新的技術手段能夠定量化地檢測氣血交換的各項參數，對于科學研究肺部疾病的發生發展過程有重要的意義。”周欣說。

　　“今后這項技術還要做多模態的比較，現在我們正在著手做更多的實驗，建立真正的肺疾病數據庫，憑借超極化氣體這項技術，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做支撐。”吳光耀說。

　　周欣希望憑借這項技術得出更多定量且全面的生理參數。“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的范圍，然后用這個指標輔助篩選和診斷。”周欣說。

　　此外，技術方面，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，制作電路系統和線圈等，并將此項技術和分子探針結合，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，這項技術將在我國有非常大的應用空間，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、塵肺等肺部發病率逐年上升。我國2015年發布的腫瘤發病率統計年報表明，肺癌的發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備已經在哮喘、慢阻肺、肺纖維化等多種肺部疾病研究的診斷及預后的評估中具備了有效性和優越性，但是該儀器現在還未用于臨床。國內外醫學界已經意識到這項技術的潛力，并正在開展相關研究。周欣及其團隊希望該技術能盡早實現臨床應用，以早日造福肺病患者。