作者:韩扬眉 来源:中国科学报 发布时间:2021/9/9 15:20:53
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周欣:坚如磐石 实现国产设备从无到有

 

2020年1月22日12点,距离武汉封城还有10个小时,周欣从北京搭乘当日最后一班飞机回到武汉。

“武汉有传染病,要封城了,你别回去了。”很多同事朋友劝道。

“我们自主研制的人体肺部气体磁共振成像技术和设备可能会发挥作用,我毕竟是团队负责人,要回去推进这个事情。”周欣了解到新冠肺炎患者主要是肺部受损害,而其仪器可对患者肺功能进行临床评估,可能会为此次疫情阻击战提供强有力的技术支撑,他毫不犹疑地决定“逆行”武汉。

周欣是中国科学院精密测量科学与技术创新研究院(以下简称精密院)研究员,坚持十年“冷板凳”,研制出了世界首台(套)获得医疗器械注册证的人体肺部气体磁共振成像装备,突破多项关键核心技术,核心指标国际领先,为肺病患者早期诊断和治疗作出了重要贡献。2020年,周欣被评为“中国科学院年度创新人物”。

他坚定地说,“把个人理想融入国家发展伟业,必将加速实现科技强国的伟大梦想。”

“点亮”肺部 “照亮”患者

周欣于武汉封城当日凌晨抵达武汉,时时关注着全球疫情数据推演和研究动态。很快,他看到有报道指出了新冠肺炎患者的临床死亡原因,“这是一种新型冠状病毒肺炎,患者呼吸衰竭,死亡前三天,血氧饱和度下降至70%-80%。”

周欣第一时间向组织提交“请战书”,希望携带肺部气体磁共振成像设备“参战”,在中科院党组的高度重视和协调指挥下,武汉市金银潭医院原院长、“人民英雄”张定宇大力支持下,设备安装在武汉市金银潭医院,在全球率先开展新冠肺炎患者肺功能临床评估,同期也应用至武汉同济医院等抗疫一线,共计对1000余人次的新冠患者进行肺部微结构和功能的全面评估。

在医院里,周欣和团队成员每天穿戴防护服工作十六七个小时,皮肤被汗水、酒精腐蚀出现红肿过敏,每天夜里12点返程到几十公里外的住处,要开会分析、整理数据、调整制定第二天的工作计划,第二天一大早又整装出发。

通过研究,发现虽普通症出院患者的肺部CT影像和吹气肺功能参数无异常,但其气体磁共振成像设备影像显示通气功能有轻微损伤,气血交换功能明显受损,大部分普通症出院患者的通气和气血交换功能在第6个月的随访时有进程性改善。

研究成果受到国际同行的高度关注。周欣受美国约翰斯·霍普金斯大学医学院邀请,作线上学术报告,英国牛津大学等机构跟进开展相关研究,指出:“气体磁共振成像技术能够精确定位肺部生理受损部位。”

“点亮”肺部的各个角落,了解人体肺部功能的缺失,“读懂”肺部气体与气体交换、以及气体与血交换的信息,让疾病“杀手”无处隐藏,这便是肺部气体磁共振成像设备的最大优势。

周欣研发该仪器,源于我国人民生命健康的广泛需求。肺部疾病是严重威胁人民生命健康的重大因素,尤其是肺癌,已位居我国恶性肿瘤发病首位,提高对肺部疾病的检测技术水平并及时对肺部疾病进行筛查,实现早诊断、早发现、早治疗至关重要。

周欣告诉《中国科学报》,肺部常规的影像学检测手段包括胸透、CT和PET等技术,但这些技术都有电离辐射。磁共振成像技术是一种对人体无损无辐射的检测手段,能对人体大部分组织器官的结构和功能进行成像,但肺部,在磁共振检测中却犹如一个“黑洞”。

“是因为磁共振成像信号来源于人体中水质子的信号,肺部是空腔组织,其水质子的密度比正常组织低约1000倍,因此无法实现肺部的可视化。”周欣解释道。

“点亮”肺部,解决传统磁共振成像对肺部空腔无法清晰成像的难题一直是周欣的心愿。

“十年”奋斗 “今朝”发力

肺部气体磁共振成像设备在“台上的十分钟”,背后是周欣带领团队“十年功”的艰辛付出。

2009年,周欣回国不久。一个人就是一支团队,他的“实验室”占了研究所大厅的“6块地板砖”,实验方案设计、实验设备安装调试、甚至到一个螺丝钉的固定,都亲力亲为,工作到凌晨是常态。2011年1月,周欣得到了国家青年科学基金项目的支持,完成磁共振信号增强方法的全面调研,自主研发了一套远程探测的磁共振装置,可进一步提高磁共振的检测灵敏度,这一研究为仪器研制奠定了相关理论基础。

随后,国家自然科学基金委员会鼓励科学家立足国家战略需求,支持原创性和独创性的科学研究,设立了国家重大科研仪器设备研制专项(部委推荐)。

2013年1月,周欣作为专项首席科学家牵头攻关国家重大仪器项目——“用于人体肺部重大疾病研究的磁共振成像仪器系统”。

周欣发现,氙气是一种惰性气体,具有良好的生物惰性、脂溶性和化学位移敏感性,可以溶解在肺部血液和组织中,特别在肺部气血交换功能中具有十分独特的优势,经反复调研最终选择氙气作为气体造影剂。

然而,普通的氙气并不足以“点亮”肺部,关键是要将其“超极化”,即增强气体的信号强度,这也是整个研究的难点所在。

“每个人身体里都有水,水分子中每个质子都有自旋,就像一个个微观的‘陀螺’。顺时针旋转的“陀螺”,其自旋朝上;逆时针旋转的“陀螺”,其自旋朝下,一个向上和一个向下的自旋相互抵消了磁矩,一般在约一百万个质子自旋中,只有一个自旋真正贡献了磁信号,所以通常状态下质子磁信号十分微弱。”周欣独辟蹊径,开发超极化气体磁共振技术,让微观世界的原子核自旋的“陀螺”朝一个方向旋转,从而极大增强气体磁信号,进而让肺部气体“可视”成为可能。

同时,周欣团队还将磁共振发射和接收频率扩展至多种元素的原子核,实现了多核磁共振成像。此外,通过结合人工智能及压缩感知欠采样技术,设计出用于人体肺部成像的自适应的高倍欠采样模式,将信号的动态采样速度在原有基础上提高至最大10倍,实现世界上最快的高分辨率人体肺部气体动态采样。

从一个人到70人的团队,从“6块地板砖”到专门的实验室,周欣带领团队不负众望,实现了我国肺部气体磁共振技术从无到有的突破,有效解决了肺部结构和功能的无损、定量、可视化检测瓶颈技术背后的科学难题,打破了国外的技术封锁,核心技术指标国际领先。

坚持钻研 强国“有我”

周欣表示,医学仪器能够研制成功并为民所用,跟国家自然科学基金委员会个性化的项目指导是分不开的。该仪器项目涉及物理、化学、生物、医学等多专业的学科交叉研究,医学科学部每年度都会组织年度交流会,邀请不同领域的专家到会进行现场指导和研讨交流,并针对性地邀请了百余人次全国知名影像学专家和临床医生到仪器研发测试现场指导,共同优化仪器的性能指标。

“仪器是认识世界的工具”,近百年的科学发展历程表明,重大科学创新和研究领域的开辟,往往是以科学仪器和技术手段上的突破为先导。“现代科技的重大突破越来越依赖于先进的科学仪器,谁掌握了最先进的科学仪器研发技术,谁就掌握了科技发展的主动权。”周欣说。

上世纪90年代,周欣在中科院武汉物理与数学研究所(精密院的前身)研究生一年级时,读到了一篇文章,上面写道,“科学仪器照亮了人类未来的探索道路,改变了这个世界,比如正是有了显微镜,人们才看清了细胞、细菌等的真容,才为疾病防治起到了重要作用。”从那时起,他便意识到科学仪器的重要性,注重提高研制仪器的技能。

当时,由于进口仪器价格昂贵,他们用的是老旧的磁共振仪器,仪器“罢工”是“家常便饭”,而请国外专家修理价格贵、等待的时间长,周欣和所里的工程师们就拿着说明书自己动手。

“博士5年期间我基本都在修仪器和改造仪器功能。”周欣说,在这个过程中,他学会了很多的技术和知识,对每个部件功能、如何优化及其仪器运行原理等有了深入理解,“需要很长时间静下心来钻到里面,才会真正学有所得。”

周欣曾为了修复一台80MHz的旧磁共振波谱仪连续三天三夜没睡觉,修复过程整整一年时间。但他付出的“代价”不止于此,到距离毕业答辩前两个月,周欣还没有发表一篇论文,而其他同学早在第3年、第4年就有了论文。

令他意外地是,答辩前一个月,他连续3篇基于研发仪器的高水平论文刊发出来,“可能发不了文章,但我当时坚信,能够学到一门技能保底。这些经历告诉我坚持最重要,一旦坚持突破了瓶颈,科学研究是肯定会出成果的。”

如今,周欣也常告诉学生们,做科研要将个人兴趣和重大科学问题及社会需求相结合,要面向国家和社会的重大需求,切实解决实际问题来回馈社会,在国家进步的潮流中最大化地发挥个人价值,真正实现新时代科研工作者的“中国梦”。

在家中,周欣每每向窗外望去,中学时代家乡对岸的岳阳楼里那句“先天下之忧而忧,后天下之乐而乐”,时刻提醒他前行的方向与目标。

 
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