磁共振成像与波谱团队

团队负责人介绍：

周欣  教授

伟德国际BETVLCTOR客座教授，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员，博导，副经理。波谱与原子分子物理国家重点实验室副主任，国家武汉磁共振中心副主任。基金委创新研究群体项目负责人，国家杰出科学青年基金、国家重大科研仪器设备研制专项（部委推荐）和国家重点研发计划首席科学家。现任基金委国家重大科研仪器设备研制项目专家委员会委员，中国物理学会波谱专业委员会常务副主任委员，中国生物物理学会分子影像学专委会副主任委员。曾获“CCTV 2018年度全国十大科技创新人物”、“2020年中国科学院年度创新人物”、全国创新争先奖、湖北省技术发明一等奖、首届“科学探索奖”、“中国科学院青年科学家奖”、“王天眷波谱学奖”等多项荣誉。

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团队成员介绍：

叶朝辉  院士

物理学家。1942年3月1日生于四川简阳市。1965年毕业于北京大学无线电电子学系。从1986年起至今任中国科学院武汉物理与数学所研究员、博士生导师；曾任该所副所长（1984-1987年），所长（1987-1999年），中国科学院武汉物理所波谱与原子分子物理国家重点实验室主任（1986-1993年），中国科学院武汉分院经理（1999-2007年）。叶朝辉2001年当选中国科学院院士，担任中国共产党第十五、十六届全国代表大会代表。

主要从事波谱学与量子电子学的研究，为发展我国铷光抽运原子频标做出过重要贡献。在磁共振波谱学的理论和实验方面开展了一系列前沿研究，在固体高分辨及多量子核磁共振研究方面有创造性的研究结果。首次报道了脉冲Fourier变换的次谐波核磁共振现象；用转动算符方法进行核自旋动力学的研究；创造了快速测定魔角的方法以及多量子弛豫时间的直接测量；发展了Raman磁共振波谱学；揭示了磁共振实验中辐射阻尼效应的物理本质；主持建立了国际上最大功率的动态核极化谱仪；在研究旋转固体的核磁共振性质以及对分子筛、煤和油料种子的应用研究等方面取得了具有重要意义的结果；近年来致力于探索磁共振与生命科学的交叉，开展了系列的研究。

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团队介绍：

磁共振成像（MRI）作为人体内部结构成像的革命性诊断技术，2003年获诺贝尔生理学或医学奖，但肺部因水含量低（主要为气体空腔结构），一直是MRI探测的“盲区”。周欣团队以面向人民生命健康为导向，坚持核心装备技术自主研发，发展肺部和脑部的超灵敏磁共振变革性技术，并成功实现了临床应用。研制成功国际首台进入临床的人体肺部气体磁共振成像系统，为肺部、脑部重大疾病的早期探测、精准诊疗提供了全新的影像装备。

新冠疫情发生后，自主研制的肺部气体磁共振成像系统被选定为新冠肺炎患者肺功能评价设备，应用至武汉金银潭医院等抗疫一线，国际首次开展新冠患者肺功能无损、定量、可视化评估，弥补CT检测存在放射性、且无法探测肺部功能的不足，为打赢疫情防控阻击战提供科技支撑。习近平总书记在科学家座谈会上，给科技界提出“四个面向”，周欣团队的案例作为“面向人民生命健康”的案例在2020年9月12日CCTV-1的《新闻联播》中播出。被基金委医学部列为2020年“需求牵引，突破瓶颈”的典型案例。

研究方向一：超灵敏MRI方法与技术研究

目前肺癌是导致人类死亡的第一大癌症。肺主要由肺泡组成，质子密度很低，因此传统的核磁共振方法不能对肺部进行成像。虽然目前CT和X射线都能够用来对肺部进行成像，但是以上两种技术都具有放射性，并且只能得到肺部的结构信息，往往检测到癌症都到了晚期。基于超极化气体的MRI，不仅能提供肺部结构信息，也能给予肺部的功能信息，例如肺组织气体交换功能等。我们掌握着超极化的核心技术，并且拥有专利多项。

本研究旨在发展超极化气体的磁共振成像医疗诊断仪器，填补目前医院MRI做肺部成像的“盲区”，满足临床医学对分析测试新方法的需求，对肺癌和肺部疾病的诊疗有重要意义，并惠及医疗诊断技术和公共医疗卫生事业。

研究方向二：超灵敏分子探针与分子影像学

¹²⁹Xe  MRI是近年来比较热门的分子影像学方法之一，它将超极化¹²⁹Xe的高灵敏度和分子探针结合在一起，提供了探测超低浓度化学分子或癌细胞的一种非常有潜力的技术发展方向。

超极化¹²⁹Xe  MRI分子影像学最终能解决两个问题：第一，能探测超低浓度化学或生物分子，即拥有比所有传统MRI方法更高的灵敏度，并能检测出被检物的特定化学或生物分子的超低浓度值。第二，能够空间定位超低浓度化学分子或癌细胞的位置。

科研工作展示：

1.实现新冠出院患者的肺功能无创评估

科研团队应用自主研制成功的肺部气体磁共振成像（MRI）装备，在国际上首次实现了新冠肺炎出院患者的肺部微结构和通气、气血交换功能定量、可视化评估。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，但其气体MRI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。研究结果于2020年10月在Science Advances（Science子刊）发表，受到国际同行的高度关注。周欣研究员受约翰斯霍普金斯大学附属医院邀请，作新冠患者肺功能无损评估线上学术报告。牛津大学等机构跟进并开展相关研究，其2021年5月在Radiology发表的研究成果引用了周欣团队临床结论并表示：“气体MRI技术能够精确定位肺部生理受损部位。”

图1 三名新冠出院患者的典型肺部影像

（a）肺炎急性期时肺部CT图像；（b）出院后的肺部CT图像；（c）肺部气体MRI影像；（d）通气功能聚类（k-means map）图像；（e）不同通气功能占比

2.发现水溶液中气体磁共振信号增强新方法

科研团队首次提出水稳定性的金属有机骨架材料（MOF）——ZIF-8作为¹²⁹Xe的纳米“笼”来装载¹²⁹Xe，能有效提高水溶液中“笼”内¹²⁹Xe的浓度，利用课题组自主研制的超极化气体磁共振科学仪器，显著增强了水溶液中“笼”内¹²⁹Xe的磁共振信号，比传统分子“笼”内¹²⁹Xe的磁共振信号提高了200倍，实现了超极化¹²⁹Xe磁共振分子影像领域的重要突破。进一步，由于突破了“笼”内Xe信号强度的壁垒，可在生物检测中利用该信号与血液中信号之间的化学交换，放大血液中的微弱信号，从而提升血液中分子探测的灵敏度。该方法被命名为“Hyperpolarized Xe Signal Advancement by Metal-organic framework Entrapment (Hyper-SAME)”。Hyper-SAME可与作者之前发明的Hyper-SAGE技术（PNAS, 2009）相结合，进一步优化、放大¹²⁹Xe的磁共振信号。这项研究显著提高了水溶液中气体磁共振的灵敏度和分辨率，代表着气体磁共振作为生物医学主要工具向着高灵敏靶向检测迈进了一大步，相关研究结果发表在美国科学院院刊（PNAS）上。

图2 利用Hyper-SAME气体磁共振信号增强新方法，水溶液中“笼”内¹²⁹Xe的磁共振信号强度比传统分子“笼”内¹²⁹Xe信号提高了200倍