作者:韩扬眉 来源: 中国科学报 发布时间:2021-10-27
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周欣:国产设备研发,坚持最重要

 

■本报记者 韩扬眉

2020年1月22日晚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,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,要推进这件事情。”想到团队研制的仪器能对患者肺功能进行临床评估,可能会为此次疫情防控阻击战提供技术支撑,周欣毫不犹豫地决定“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。10年来,他坚持坐“冷板凳”,带领团队突破多项关键核心技术,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,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”。

“点亮”肺部 “照亮”患者

回到武汉之后,周欣时时关注着全球疫情的数据变化和相关研究动态。很快,他就看到关于新冠肺炎患者临床死亡原因的报道,“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”。

在中国科学院党组的高度重视和协调指挥下,在武汉市金银潭医院原院长、“人民英雄”张定宇的大力支持下,他们将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,同期还将设备应用于武汉同济医院等抗疫一线,共计对新冠患者1000余人次进行肺部微结构和功能的全面评估。

研究发现,虽然普通症出院患者的肺部CT影像和吹气肺功能参数无异常,但气体磁共振成像设备影像显示,其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个月随访时有进程性改善。研究成果得到了国际同行的高度关注。

“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”。

“这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,其水质子的密度大约只有正常组织的千分之一,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的“台上一分钟”背后,是周欣带领团队“十年功”的艰辛付出。

2009年,周欣回国工作。一个人就是一支团队。他的“实验室”占了“6块地板砖”,实验方案设计、实验设备安装调试,甚至一个螺丝钉的固定,他都亲力亲为,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,为鼓励科学家立足国家战略需求进行原创性和独创性的科学研究,国家自然科学基金委员会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,特别是在肺部气血交换功能中具有十分独特的优势。经反复调研,他们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100万个质子自旋中,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。”周欣独辟蹊径开发出超极化气体磁共振技术,让微观世界原子核自旋的“陀螺”朝一个方向旋转,从而极大增强了气体磁信号,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,他们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1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。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,并有针对性地邀请全国知名影像学专家和临床医生百余人到仪器研发测试现场指导,共同优化仪器的性能指标。

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,周欣还是中国科学院武汉物理与数学研究所(精密院的前身)的研究生时,就意识到科学仪器的重要性。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、等待时间长,于是周欣和所里的工程师就拿着说明书自己动手。

“攻读博士学位的5年间,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,对每个部件的功能、如何优化及仪器运行原理等有了深入理解。

为了修复一台80MHz的旧磁共振波谱仪,周欣曾连续三天三夜没睡觉,修复过程达整整一年。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。

令人意外的是,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,一旦突破了瓶颈,科学研究是肯定会出成果的。”

如今,周欣常告诉学生们,做科研要将个人兴趣和重大科学问题相结合,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”。

《中国科学报》 (2021-10-27 第1版 要闻)
 
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