氙-129肺部磁共振仪器检测:一口“仙气”点亮肺部
上图为中科院武汉物数所周欣在操作“点亮”肺部的核心设备：一台能放大氙气信号的自主研发设备。中图为中科院武汉物数所的研究团队发布我国首幅超极化氙-129肺部磁共振影像。经济日报记者 杜 芳 摄 下图为受试者被推进核磁共振谱仪进行检测。
中国科学院武汉物理与数学研究所成功研制出气体产率高、控制自动化、可移动式的氙-129气体极化装置，该装置能够形成肺部清晰影像，为攻克肺癌、尘肺等高发顽疾提供有力数据支撑——
传统磁共振成像技术的“盲区”——肺部，如今终于被中国科学院武汉物理与数学研究所“点亮”。9月6日，一例肺病（哮喘）志愿者在接受了超级化氙-129肺部磁共振仪器检测后，首幅病人人体超极化气体肺部磁共振影像诞生。该影像不仅能清晰地看到病人的病变部位，还能提供一系列评价肺部功能的数据。这就意味着，今后，医生不仅可以利用磁共振技术对肺病发作的前期诊疗做出更科学和清晰的影像判断，还可以看清肺部功能变化，并在临床上建立庞大的参数库，为攻克肺癌、尘肺等高发顽疾提供强大的数据支撑。
6秒看透整个肺部
武汉大学23岁的医学院学生小邹患有哮喘，“一到下雨天就感觉憋得喘不上气来。”除了基本的肺功能检查，小邹还到医院拍了CT片（计算机断层扫描），但是目前的这些技术手段都不能完全清晰地看到小邹的肺部细节。自己的肺部究竟有几个病灶？病变对肺部的功能影响怎样？小邹期待一架“像素更高”的“相机”为肺部拍照后能回答这些疑问。
日前，中国科学院武汉物理与数学研究所的一项研究让小邹如愿以偿。9月6日，小邹成为该研究所研制的超级化氙-129肺部磁共振仪器的第一位受试肺病患者，这台仪器通过磁共振的方法对小邹的肺部进行了成像。
在中科院武汉物理数学所波谱与原子分子物理国家重点实验室，为了让小邹能提早适应呼吸不同的气体，在医生的指导下，小邹用氮气进行了两次吸气练习。之后，小邹穿好布满了高灵敏肺部成像探头的马甲，被推入核磁共振谱仪。他既不需要被注射什么药剂，也不用任何器械介入，只需要像潜水之前的深呼吸一样，把一袋密封好的超级化氙气吸进去，憋气6秒左右，检测室外的电脑屏幕上就清晰地显示出小邹的肺部磁共振影像。
“真是太快了！”小邹说。一般核磁共振的检测手段至少要一刻钟，长的时候甚至需要半个小时，短短6秒就成像，还没反应过来，检查就宣告结束了。这样的速度连医生也觉得有点不可思议。
6秒成像质量如何？在小邹的肺部影像上，左肺叶下部有一块明显的通气缺陷，对比之前小邹所做的CT图像，这个结果与传统检测方法显示的结果一致；然而，影像中右肺叶上清晰地显示出一个小黑点却是利用CT检测不到的新的病变组织。“这个小黑点表示这部分肺泡已经不能实现气体交换，也就是说这是一个小的病灶。”武汉大学中南医院医学影像中心教授吴光耀说。
让肺部的小细节暴露无遗，这对于肺部疾病的认识和诊疗意义重大。“病灶有小的，有大的，有时候是小病灶与大病灶共存，有时候全部都是小病灶。对于疾病的多种不同的表现形式，看得越清，越有利于诊断。”吴光耀说。
在小邹的整个肺部诊疗中，通过无创的方法就能实现可视化的评估。“病在哪里不是凭着医生一张嘴说，这个病变结果就显示在电脑上，谁都可以看到。而且对于肺功能的判断以往大夫之间会有差别，可视化的方法让评判更加标准化、客观化。可以说，这项技术对评估病人病情、了解整个疾病的发病过程、预后的判断乃至对研制新药物疗效的评价，都会有很好的帮助。”吴光耀说。
特制氙气放大“盲区”信号
以往的肺部成像更多选用常规的胸透、计算机断层扫描（CT）和正电子发射计算机断层扫描（PET）等技术，这些技术一方面有放射性，可能对人身体产生一定伤害，更重要的是，它们都不能全面提供衡量肺部健康状态的重要指标——肺部气-气交换和气-血交换功能指标。
与这些常规的技术不同，磁共振技术是一种对人体无放射性伤害的检测手段。不仅能对人体大部分组织器官的结构进行成像，而且能够对其功能进行成像，在医学诊断和研究中显示出诸多优越性。但遗憾的是，用磁共振检测人体，大部分组织都可以成像，唯独肺部区域呈现大面积的黑色，犹如一个神秘的黑洞，成为这项技术无法感知的“盲区”。
磁共振为什么单单不能看透肺部呢？专家介绍，由于磁共振技术是基于人体中水质子的信号，但肺部内多是气体和空腔组织，其水质子的浓度比正常组织低约1000倍，因此磁共振技术无法实现肺部的可视化。
要“点亮”肺部，就要获得信号增强大于数万倍的气体信号。这种气体需要满足4个条件：自旋二分之一、信号保持时间长、无毒、没有生物体背景噪音。科学家在元素周期表上筛来筛去，只有两种气体满足这些属性：氦-3和氙-129。
实际上在中科院之前，美国科学家就在用氦-3进行试验，也取得了一定成效，但中科院却没有沿着这条老路走下去，而是果断选择了后者。“有两点原因，一是相比氙气，氦-3气体资源在地球上极其稀缺，制备的成本非常高，大面积应用于临床有一定的挑战。二是肺功能主要体现在气体与气体交换、气体与血液交换两个方面。氦-3只能检测气体与气体交换，检测不了气血交换，而氙气两种都可以检测。”中科院武汉物数所波谱与原子分子物理国家重点实验室研究员周欣说。
这个听起来像“仙气”的氙气对于人们而言其实并不陌生，在大众生活中被广泛应用，比如汽车的氙灯、霓虹灯、LED的屏幕等都是利用氙气制成。专家介绍，氙气是一种惰性气体，类似于空气中的氮气，不与人体组织产生化学反应，无毒无害。
亲自参与了试验的小邹证实了这一点。“氙气没有味道，吸入后也不会感觉难受，就和呼吸空气差不多。”小邹说。周欣告诉《经济日报》记者，因为人一般的肺活量是3升，平常呼出去吸进来的量约为一升，还有两升气体留存在肺里，因此，在对小邹的检测过程中，小邹吸入700毫升氙气加上200毫升的氧气，这就和平时呼吸的感受基本上一样。
普通的氙气并不足以“点亮”肺部，关键是要“超极化”，即增强气体的信号强度，这是整个研究的难点所在。
如何克服这项技术难关？“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"。自旋大约一半朝上，一半朝下，就基本抵消了，磁性就会变弱，信号就没那么强。人体肺部超极化气体磁共振技术，就是要让微观世界的原子核自旋的"陀螺"朝一个方向旋转，角动量积聚而非抵消，从而极大增强气体信号，进而让肺部气体"可视"成为可能。为此，科学家通过激光把光子角动量转移到电子，再由电子转移到磁共振的核自旋上，让质子自旋的方向排列基本一致，变成朝着一个方向走的"方阵队伍"，磁性大大增强。”周欣说。
利用这个原理，武汉物数所成功研制出了气体产率高、控制自动化、可移动式的氙-129气体极化装置，这种装置能够将原子核自旋的极化度增强倍数提高到4.4万倍以上，从而使肺部气体磁共振信号可以被接收继而形成肺部影像，从此，肺部不再是磁共振盲区，利用磁共振这一优越技术，将大大推动早期肺部重大疾病的深入研究。
看肺部“颜值”更看功能
用磁共振拍摄一张肺部影像，能显示完整的肺部结构，气管、支气管、肺叶清晰可见。并且凭借增强4.4万倍的气体信号，能展示肺部3D立体重建效果图。然而，点亮肺部的技术看的不仅仅是肺部“颜值”，更重要的是可以对于肺部通气功能、气血交换的生理功能也进行定量的评价，以前无法用影像检测的肺部气血交换时间、肺部氧消耗能力的空间分布等，现在都可以通过这项技术全部看到。
通过点亮肺部，能获得哪些指标？“首先能获知肺泡的表面体积比和肺泡的壁厚等参数，其次能得到血液里血红蛋白和血清的数量，最后还能得知要用多长时间，气体才能进入到血液里面。”周欣说。
在医学中，这些都是重要的指标参数。“举个例子，如果是一个肺部纤维化的病人，气血穿过纤维化的屏障，交换时间变长，氧气消耗时间变长，人们可能短期感觉不到，但供氧速度长期跟不上，就可能导致癌症等疾病的发生。现在通过新的技术手段能够定量化地检测气血交换的各项参数，对于科学研究肺部疾病的发生发展过程有重要的意义。”周欣说。
“今后这项技术还要做多模态的比较，现在我们正在着手做更多的实验，建立真正的肺疾病数据库，凭借超极化气体这项技术，很多疾病的认识会重新改变，我们要为新的知识的获取寻找更客观的依据做支撑。”吴光耀说。
周欣希望凭借这项技术得出更多定量且全面的生理参数。“我们至少要做一百例病人，并对他们进行长期跟踪，获得一般正常的指标的范围，然后用这个指标辅助筛选和诊断。”周欣说。
此外，技术方面，周欣及其团队还将进一步提高气体的极化度，增强信号的强度，制作电路系统和线圈等，并将此项技术和分子探针结合，检测不同的癌细胞，从分子和细胞层面对重大疾病做诊断。
专家表示，这项技术将在我国有非常大的应用空间，因为近年来，由于吸烟、空气污染、人口老龄化等多种因素，慢性阻塞性肺疾病、哮喘、尘肺等肺部发病率逐年上升。我国2015年发布的肿瘤发病率统计年报表明，肺癌的发病率和死亡率仍然居恶性肿瘤首位。
目前，超极化气体肺部磁共振成像设备已经在哮喘、慢阻肺、肺纤维化等多种肺部疾病研究的诊断及预后的评估中具备了有效性和优越性，但是该仪器现在还未用于临床。国内外医学界已经意识到这项技术的潜力，并正在开展相关研究。周欣及其团队希望该技术能尽早实现临床应用，以早日造福肺病患者。
