作者:刁雯蕙 来源:中国科学报 发布时间:2023/7/3 8:50:19
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实现国产替代后,他们向科技“无人区”进发

 

 郑海荣(前排中)与深圳先进院生物医学影像团队核心成员。 深圳先进院供图

全球首型5T人体核磁共振成像系统、世界首台超声深部脑刺激与神经调控仪器、国内首台高清磁兼容脑PET功能成像仪、国内首个大视野高分辨小动物显微CT、国内首款全视场口腔CT设备……

在中国科学院深圳先进技术研究院(以下简称深圳先进院)劳特伯生物医学成像研究中心,有一系列国际领先的高端医疗设备及核心技术成果,它们为助力实现我国高端医疗设备国产化提供了重要的科技支撑。

长期以来,我国高端医疗设备大多依赖进口。核心技术攻关难、科研与产业化门槛高、体系化配套缺乏等瓶颈,阻碍了高端医疗设备的国产替代进程。随着我国科技自主创新步伐持续加快,在高端医疗设备领域,如何解决科研与产业“两张皮”问题?未来相关领域的科研应该如何布局?

在深圳先进院副院长、国家科学技术进步奖一等奖获得者郑海荣看来,解决“老大难”的科研成果转化难题,首先要明确什么样的科学研究能够满足行业核心技术需求。成果转化应坚持目标导向,开展有组织、强目标的科研攻关,在前沿布局上,应寻求有序与无序、规划与随机相结合。

摘取“明珠”,更高场强的磁共振来了

磁共振、CT、彩超等是三甲医院必备的大型医学影像设备。2010年以前,高场磁共振设备被国外医疗设备巨头垄断,高昂的检查费用成为老百姓的沉重负担。

磁共振成像具有多参数、多对比、无辐射等突出优势,是继CT成像之后的又一次技术变革,已成为当今临床诊断和脑科学研究所倚重的高端成像设备。而3T磁共振曾是临床上的最高场强设备,就在几年前,我国的3T磁共振设备仍100%依赖进口。

医学影像设备研发技术壁垒极高,磁共振的研发更是被称为“高端制造皇冠上的明珠”。想要实现高场磁共振设备的国产化,绝非易事。

2007年,郑海荣回国开始组建生物医学影像团队,部署研究磁共振成像等前沿技术。2011年,上海联影医疗科技股份有限公司(以下简称联影医疗)正式启动了高场人体磁共振系统研发项目,深圳先进院作为技术股东加入,生物医学影像团队在其中承担了关键任务。

短短几年时间里,深圳先进院生物医学影像团队联合企业、医院组成的产研医团队,攻克了快速成像软件、电子学、谱仪、射频功放、射频发射接收线圈、梯度功放与梯度线圈、大孔径磁体等一系列关键核心技术,实现3T磁共振系统全部核心部件自主研制。

由联影医疗生产的系列高场磁共振成像产品走进了全国数百家医院,打破了几十年来我国高端医学影像产品市场被国外垄断的局面。3T磁共振技术国产替代的努力终获结晶,并完成了大规模产业化,取得了高端医疗设备自主创新的重大突破。

2021年,深圳先进院与联影医疗等合作完成的“高场磁共振医学影像设备自主研制与产业化”项目获得国家科技进步奖一等奖。

具有高分辨率和高信噪比的磁共振,对重大疾病的早期精准诊断有重要意义。在之前成果的基础上,郑海荣和团队成员进一步对超高场磁共振高分辨成像理论、电子学、序列及其优异诊断性能展开了研究。

2022年8月,全球首型5T人体全身核磁共振成像系统获得国家医疗器械注册审批。该产品由联影医疗推出,凝结了深圳先进院生物医学影像团队的技术结晶,填补了国际上超高场磁共振普适成像设备的空白。

郑海荣向《中国科学报》介绍:“就像手机2G阶段只能打电话、发短信,3G阶段能发照片,5G阶段能发高清视频、看电影一样,磁共振成像也与之类似,场强越高,分辨率越高。传统的低场磁共振扫描所需时间较长,图像也不是很清楚,而5T超高场高清成像为全身各部位疑难杂症机理研究和精准诊疗打开了全新视角。”

目前,5T超高场磁共振已在医院安装使用。作为全球首批用户,北京协和医院放射科主任医师王怡宁介绍,她曾接诊过一个突然肢体无力的44岁女性患者,此前用3T系统照不出异常,升级用5T系统后,迅速发现了影像异常,随后确诊其有危险的动脉夹层。“3T系统检查分辨率仍然显得不够,没有发现微小脑血管的问题,5T系统的高分辨率成像可以帮助我们找到病因,更早地进行诊治。”王怡宁说。

一支“敢啃硬骨头”的队伍

“刚回国的那几个月,我们也不知道要做什么,但内心有一个很坚定的想法,就是一定要做点事情!而且,不能只和自己比,还要跟国际最好的比,这是我们的初心。”郑海荣告诉《中国科学报》。

组建团队的第一步是成立实验室。2007年,深圳先进院成立了劳特伯生物医学成像研究中心实验室。经过10多年的发展,实验室逐渐凝聚了一批生物医学影像研究领域的研究骨干,组建起一支“敢啃硬骨头”的队伍。

扫描时间长、成像速度慢,是磁共振成像研发领域国际公认的一大难题。2011年,梁栋从美国威斯康星大学归国,加入生物医学影像团队。近10年来,他带领成像算法课题组破解了3T磁共振系统中大范围高分辨成像和扫描时间互相制约的数学难题,实现软硬件融合,让3T磁共振扫描“既快又清”。

“在5T磁共振系统中,我们提出了快速成像技术原理,并结合了高密度收发一体化射频线圈等系列精密硬件。以扫描全脑和颈部血管斑块为例,进口设备的扫描时间是10多分钟,而我们把成像时间缩短到了3.2分钟,做到了国际最快。”梁栋说。

2009年加入生物医学影像团队的邹超,经过多年攻关,研发出了国际领先的脂肪定量技术,实现全身脂肪图谱和代谢能力的分析。该技术目前应用于包括5T磁共振系统在内的联影医疗磁共振全线产品中。

“从理论原型设计到产品验证,再到将这项技术应用于磁共振系统、成为真正能在临床使用的一项技术,需要很长时间的打磨。”邹超回忆说,在产品攻关最紧要时,他有两三年时间不断往返深圳、上海两地,只为解决成像软件在系统测试时遇到的各种问题。

“团队里很多成员刚加入时还是硕士、博士、博士后,现在已经成长为国家级人才。”郑海荣说。如今,深圳先进院生物医学影像团队已拥有106名科研骨干、15名国家级人才与技术专家,拥有授权专利505项、实现转化的专利208项。

注重布局,勇闯科技“无人区”

推动高端医疗设备国产化、实现科技创新引领,不能光靠单个团队“单枪匹马”,还要靠产学研医多学科、多链条协同合作。郑海荣介绍,团队运行主要有三种机制。

一是紧盯国家需求,从立项时就要明确多主题联合立项,明确哪些是可以解决行业问题、需求问题、产业问题的科技项目;二是与骨干企业、医院建立紧密的合作关系,从产业中发现问题,从医院中得到临床反馈,将掌握的前沿技术在产品中落地,提升产品的性能和国际竞争力;三是建立一套灵活的团队内部管理制度,建立以技术贡献为基础的评价体系,保障并激励团队成员不断创新。

什么样的科研成果值得转化?未来医疗设备的研发应该如何布局?在郑海荣看来,持续的科技创新是推动高端医疗设备国产化、实现国际领先的关键一环,“无人区”探索要考虑无序和有序、规划与随机相结合。

所谓有序布局,就是在他国领先而我国还落后的领域积极布局,如用于肿瘤治疗的大型质子治疗设备、冷冻电镜等;而无序布局,就是要敏锐地布局、储备一些“无人区”的变革性、颠覆性技术。

有序充满了科学的确定性,而无序的不确定性则要求完善稳定的支撑机制,这样才能让无序布局的产出更加符合预期。两者相结合,科学有序的布局会更聚焦、让科技服务需求,而无序的布局能探索科技创新突破口。

“人工智能、纳米技术、高温超导、物理学、量子技术等前沿领域都可能和医学产生更多的交叉领域,带来诊疗新原理、新路径,这些都是未来医疗设备值得关注的结合点。只要是科学发现的需要和临床精准诊疗的需求,都值得我们去深耕。我想,这也是医疗仪器研发团队的梦想。”郑海荣说。

 
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