這些硬科技讓醫療更精準

2023-07-08 21:53:22來源：光明日報

【健康前沿】

(資料圖片僅供參考)

全球首款人體全身5.0T磁共振問世，我國率先實現超高場高分辨全身臨床普適成像；首套國產體外膜肺氧合系統（ECMO）獲注冊認證，一舉填補國內長期空白，解了救治新冠重癥患者的“燃眉之急”；世界首臺磁共振引導無創超聲輻射力深部腦神經調控儀器研發成功，讓超聲牽手腦科學，為復雜功能性腦疾病治療提供了全新的技術和手段……

從跟跑、并跑到領跑，從組裝零部件到掌握核心技術，近年來，我國科技自主創新能力持續提升，具有完全自主知識產權的高端醫療設備不斷涌現，突破關鍵核心技術，打破國外壟斷。

1.做中國人自己的高端磁共振設備

“時間回到短短10年前，當時中國國內高端醫療影像設備市場被海外國際醫療設備巨頭壟斷。由于我國不掌握核心技術，技術受制于人，國產磁共振設備主要分布在中低端市場，高端3.0T磁共振設備100%依賴進口。”中科院深圳先進院醫工所副所長、研究員李燁回憶道，10年前他加入中科院深圳先進技術研究院，就是想跟這里的團隊一起，自主研發國人自己的高端磁共振設備。

據李燁回憶，十幾年前，即便1.5T這樣的中端磁共振成像設備，國產產品市場占有率也非常低。“高端醫療成像設備長期依賴進口，設備進口價格昂貴，患者做相關檢查時費用很高。我國是人口大國，難以想象14億老百姓看病要靠著國外的進口設備。不管是從經濟還是臨床診斷的角度考慮，大家一直都在期盼高性能的國產化設備。”李燁介紹，磁共振信號是一種電磁波，磁共振設備是臨床醫學診斷非常強大的影像工具，它的優勢在于可以進行全身各部位的高對比多參數成像，且沒有電離輻射，是CT之后又一次影像技術變革。大于3.0T的磁共振稱為超高場磁共振，磁共振場強越高，圖像分辨率越高，醫療成像檢查就越精細，當然，對設備技術挑戰也更大。

一切從零起步，挑戰可想而知。當時，跨國巨頭企業占據高端醫療影像設備市場已達數十年，其積累的技術“護城河”高不可攀。為了早日突破核心技術，團隊夜以繼日地奮戰。問及研發過程的艱辛，李燁說也沒什么特別值得講的事情，反正“做實驗到凌晨一兩點是常事，一個實驗失敗了就總結經驗重頭來，成功了就繼續往前走，心里知道最后一定能做成。”

10年過去了，事情就這樣做成了。2021年11月，中科院深圳先進院的團隊與聯影醫療等合作完成的“高場磁共振醫學影像設備自主研制與產業化”項目，榮獲“國家科學技術進步獎一等獎”，實現我國高端醫療裝備自主創新的重大突破。“去年8月，國際首創聯影5.0T超高場人體全身磁共振成像系統獲國家醫療器械注冊審批，這是全球首款人體全身5.0T磁共振高分辨成像臨床普適設備，其中我們做到了破解科學問題、突破核心技術、實現國際領先。”李燁說。

深圳先進院醫工所所長、研究員梁棟長期聚焦研發磁共振系統中的快速成像技術，他介紹，3.0T磁共振設備有兩個重要特點：一是所有核心部件均為自主研制，沒有使用任何進口部件，突破了“卡脖子”問題；二是軟硬協同的快速成像技術。“如果大家在醫院做過醫療成像類檢查，會發現磁共振成像檢查比CT檢查時間長很多。大概做一個檢查就要二三十分鐘，一臺設備每天只能檢查二三十個病人。由于患者數量大，預約一個磁共振檢查要等三四周很常見。”梁棟說，為了不耽誤治療，研制出國產化的能快速成像的高端磁共振設備就非常必要。

成像速度快，意味著什么呢？“通俗點說就是以前的設備是拍照片，但我們現在這臺設備可以拍電影了。”梁棟解釋道：“因為成像速度夠快，醫生檢查時就可以看到更多以前看不到的東西。而且每個病人的檢查時間縮短了，這樣，一臺設備就可以完成以前兩臺設備的檢查量。以腦血管壁的中風檢查為例，這是一個對分辨率要求特別高、成像時間特別久的檢查，以前做這個檢查需要十五分鐘左右，但現在用5.0T磁共振設備做亞毫米高分辨檢查，大概只需要三分半鐘。如此優異的快速高分辨成像的實現依靠的是其背后新體制磁共振成像技術的發明和系統支撐。”梁棟說。

作為5.0T超高場強磁共振的全球首批用戶，北京協和醫院放射科主任醫師王怡寧給記者講了這樣一件事，他曾經接診過一位44歲突發肢體無力的女性病例，從5.0T的頭顱影像中可以看到腦出血和腦缺血，這是什么原因呢？“通過5.0T做血管的成像發現，大腦中動脈呈現雙腔結構，我們考慮她有動脈夾層，因此做了金標準血管造影，發現確實有動脈夾層，血管內膜撕裂。而這個病人之前還做過3.0T的檢查，因為分辨率不夠并沒有發現腦血管的問題。所以5.0T的高分辨率血管成像可以幫助我們找到病因，更早地進行診治。”王怡寧說。

記者一行在深圳先進院參觀聯影5.0T磁共振設備時，研究人員正將一只猴子麻醉后推進設備中，這是正在進行圖像引導神經調控相關實驗，探索這臺高端磁共振設備在神經調控治療領域的更大價值。

2.提高治愈率，減輕病人負擔

中科院深圳先進院堪稱高端醫療設備創新發展的“國家隊”，在該院醫學影像實驗室里，一臺高精尖儀器上的一排排控制燈交替閃爍。一萬多個探頭發出超聲波形成的操控聲場，如同“上帝之手”穿過實驗動物的顱骨，直抵大腦深處，精準“觸碰”一些神經元，產生僅僅幾微米的細微形變，被磁共振儀敏銳捕捉到。

這是中科院深圳先進院副院長鄭海榮團隊研制的基于超聲輻射力的深部腦刺激與神經調控儀器。“這臺儀器讓超聲‘牽手’神經元，利用超聲波來操控神經元活動，可以無創、精準對大腦深部進行有效調控。這對帕金森病、阿爾茨海默氏病、抑郁癥、癲癇等腦疾病的精準診療有很大幫助。”鄭海榮介紹說，該設備目前已經進入臨床試驗和產業化階段。

超聲是一種機械波，醫學上利用超聲波在人體組織中的波散射來成像，也就是大家熟悉的B超和彩超。早在幾十年前，科學家曾觀察到，超聲波能夠讓聲場中的微小顆粒產生移動。基于聲鑷理論和聲輻射力技術的研究，鄭海榮團隊不只讓超聲“牽手”腦科學，還研制了超聲彈性成像設備，以助力臨床精準診療和早期診斷。

“我們傳統的B超彩超都是利用超聲波的波動效應去看組織結構的變化，但很多疾病早期，它的組織結構可能沒什么明顯的改變，只是軟硬度出現了一些變化，比如中國發病率很高的肝纖維化和肝硬化，還有女性發病率很高的乳腺癌。”鄭海榮舉例介紹，判斷乳腺癌腫瘤的良性和惡性時，在一般B超上其形狀上來看都是一個腫瘤，但其主要區分就是軟硬不同。以前醫生一般要靠穿刺活檢才能分辨。現在有了無創超聲彈性成像設備，醫生就可以利用超聲力學效應觀察人體組織的軟硬程度，實現對人體組織生物力學參數的無創定量測量。“通俗地說，就是醫生可以借助這臺設備，更精準便捷地判斷早期乳腺癌腫瘤是良性還是惡性了。”鄭海榮總結道。

梁棟介紹，目前除了超聲、磁共振、CT等結構成像設備外，分子成像設備也在精準診療尤其是早期診斷領域助力臨床。

“現在磁共振、CT等結構成像設備的成像分辨率越來越高，醫生可以借助這些設備去找以前看不到的小病灶。但從早期診斷角度來說，很多疾病早期不一定有結構病變，醫生看得就算再精細也做不出明確診斷。很多疾病早期會出現組織和器官的代謝和功能變化，比如像阿爾茲海默病這種退行性疾病，其實患者在大腦萎縮前很長時間就已經出現神經細胞的代謝活動改變。因此，測量功能代謝變化的分子成像設備在早期診斷中就尤為重要。”中科院深圳先進院醫工所研究員楊永峰介紹。

針對早期診斷，楊永峰介紹了其牽頭研發的國內首臺高清晰磁共振兼容人腦PET功能成像設備。PET設備的成像原理是什么呢？“我們先向人體注射由放射性核素標記的藥物，比如葡萄糖藥物等，注射進去后藥物會在人體內代謝。因為癌細胞一般更活躍，代謝糖分就更多一些，那么我們注射的藥物就會在癌細胞這里聚集，同時藥物會通過放射性來衰變，此時我們可以用PET探測器來測量放射性藥物衰變的位置和數量，進而知道這個人有沒有癌癥、在什么位置、嚴重程度、有沒有轉移。”楊永峰介紹，PET設備在許多疾病早期診斷領域優勢明顯，“比如像阿爾茲海默病，目前已有的研究發現，PET設備加上合適的藥物，可以在該疾病出現癥狀前的15年對其診斷。對很多疾病，如果可以做出早期診斷，醫生就可以提前介入，病人也就不必拖到疾病晚期再花費高昂的醫療費用去治療，這樣既可以減輕病人的痛苦和負擔，也可以延緩疾病的發展、提高疾病的治愈率。”楊永峰說。

3.高端醫療設備未來如何發展

談及近年來研制醫療影像設備的經驗，鄭海榮總結道：開展強目標導向的有組織科研，打破學科間的創新孤島，搭建產學研醫協同創新平臺。

“我們與醫療設備企業、臨床醫院開展密切合作。根據這個儀器研發領域的學科特點，我們也為科研人員開辟相應‘特區’，讓大部分技術人員只需要靜心考慮科研上的難題，而不必為申請課題、寫論文發愁。比如只要在技術上取得有效突破，掌握核心技術，就能獲得晉升和認可，不必通過課題、論文和帽子。在這樣的機制下，我們很多科研人員會扎下心來去合作企業常駐，科學家與工程師實現了‘無縫對接’，與工程師團隊一起聯合攻關技術難題，實現了產研的真正融合和協力創新。”鄭海榮介紹。

“好的醫療儀器設備是干出來、用出來的。”鄭海榮堅信這一點。“所以，高端醫療設備的研發團隊要避免紙上談兵，要把研究成果寫在祖國大地上，要瞄準國家需求，把握臨床痛點，研發有臨床價值的醫療設備；科技成果實現轉化后，也要及時與醫院對接，通過臨床反饋進行進一步的技術改進、迭代精進。”

在鄭海榮看來，關于未來高端醫療設備的研發，目標是明確的。“醫學設備研究的目標就是服務人民健康，未來科研的方向是更精準地診斷和治療。”鄭海榮說，為實現這個目標，醫療研發團隊首先要攻關經典的診療設備領域，研發已經“臨床急需、對于醫療保障有重大支撐的先進設備，比如多模態高分辨醫學成像設備、功能影像設備和用于腫瘤治療的大型的質子治療設備等。”

針對腫瘤治療研究，原中國人民解放軍總醫院普通外科研究所副所長兼國衛生物特聘專家徐迎新教授介紹，腫瘤治療之所以是綜合性治療且非常復雜，是因為現有各種治療手段均有其局限性。“比如，CAR-T在治療B細胞來源腫瘤取得了好的療效，但同時殺傷了正常的B淋巴細胞，往往需要干細胞移植。”

“目前，我們就在加強干細胞與免疫細胞基礎及臨床應用研究，未來將手術、免疫細胞治療與干細胞移植等技術結合起來，根據不同病人的具體情況制定不同的治療方案。”徐迎新說。

“此外，對于目前尚不能看清全貌的新興變革性技術，也要積極布局。人工智能、納米技術、高溫超導、物理學前沿的量子技術等，這些前沿科技未來都可能和醫學產生更多的交叉領域，孕育新的儀器技術變革。比如，目前發現腫瘤也有微弱量子信號，而磁共振設備信號就是源于量子效應，只不過現在是利用其宏觀量子信號，那么未來我們能不能研發微觀磁共振，能不能研制出極弱量子磁共振成像診斷設備？那樣對于腫瘤和腦疾病檢查可能是一種新利器。我想這都是未來高端醫療設備值得關注的發展方向。總之，只要是科學發現需求和臨床精準診療需求，都值得我們去深耕。我想這也是醫療儀器研發團隊的夢想。”鄭海榮感慨道。

（本報記者鄒曉菁）

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