量子磁场测量“碰上”脑科学,未磁科技无创脑功能成像系统研发成功

从微观的神经元活动到宏观的认知行为,脑科学探索着人类最神秘、最复杂的领域之一。在这个过程中,科研人员、医生和创业者们扮演着至关重要的角色。他们不仅致力于揭示大脑的奥秘,更将科研成果转化为实际应用,推动脑科学领域的进步和发展。

为了深入了解脑科学领域的科研创新、转化、临床应用和前景,以及产业内的创业风向和发展瓶颈,橙果局策划了“Brain talk接龙”系列访谈。我们希望通过与科研人员、医生和创业者的对话,为大家呈现一个全面、深入的脑科学世界,让更多人了解这一领域的最新进展和未来趋势。

本期“Brain talk接龙”的专家是来自北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院丁铭教授,她将带来结合量子磁场测量脑部疾病的研究故事。

当量子磁场测量技术和脑科学发生交集,北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教授丁铭在成功研发无液氦脑磁图仪后,几乎每天都能收到来自各大医院神经科医生的反馈:“这个产品太好了,我们临床太需要了。”

精确诊断脑部疾病是医生们面临的棘手问题。虽然功能基因组学和神经系统影像技术已经被广泛应用于临床实践,但许多脑重大疾病的病理机制仍然是未解之谜。这种感受也同样萦绕在丁铭心上。在大大小小的学术会议间歇,许多临床医生会主动找上丁铭团队寻求合作,希望能够共同突破脑重大疾病精准诊断相关技术。

“是因为痛点太突出了,在有些问题上缺少一个精确诊断的工具。”在采访过程中,丁铭反复提及这句话,她很同意用“千呼万唤使出来”来形容无液氦脑磁图产品的诞生。

01下一代生物成像技术

2015年前后,丁铭偶然间看到一些关于量子磁场测量进行脑部疾病检测的论文;2017年,丁铭又看到英国诺丁汉大学Sir Peter Mansfield影像中心基于原子磁力计研发了世界上首台可穿戴式非超导式脑磁图仪,患者可以在扫描过程中移动,甚至是喝水、颠乒乓球。“当时就觉得很有趣。”丁铭回忆道。

而这也打开了丁铭将量子磁场测量技术用于脑疾病研究的思路。丁铭说,当时国内还很少有团队专注该方向的研究,他们基本集中在底层磁场测量技术的开发工作上。作为工科教授,她一直希望结合现有技术,研发出能实际用于临床的生物磁场测量仪器。

▲无液氦脑磁图仪,来源于未磁科技官网

朝着这个方向,丁铭开始进行原子磁力计技术的研究,并在原子磁力计技术突破后,进一步成功研发出新一代常温运行的无液氦脑磁图仪。这款脑磁图仪最高可集成256通道原子磁力计,可以有效检测大脑磁场信息,帮助医生进行脑疾病诊断与研究。

其中,仪器采集的脑磁信号来自大脑皮层中作为主要投射神经元的锥体细胞,当大脑产生意识活动时,锥体细胞内将发生微弱的电流变化从而产生脑磁信号。一开始着手研发时,丁铭就感到这种方式与其他测量技术有很大不同。

“现在常用的脑功能成像方法,大多通过含氧量变化或者代谢变化进行判断,都是对大脑神经元活动的间接测量。”丁铭如此说道。

而脑磁是对大脑放电活动的直接测量,可以精准地实现大脑功能性成像。与脑电信号相比,脑磁信号不受头皮软组织、颅骨等人体组织阻抗的影响,衰减率低且不易发生畸变,也因此能够获得更加细微且准确的大脑活动信息,具有较高的时间及空间分辨率。

这也被定义成“下一代生物成像技术”。

02锚定脑机接口、脑肿瘤、癫痫、阿尔兹海默病等热门赛道

医疗技术和仪器永远是为解决临床问题服务。丁铭告诉橙果局,团队研发的无液氦脑磁图仪能辅助医生完成重要脑部手术前的定位和评估。

2024年2月初,首都医科大学宣武医院赵国光教授团队、清华大学医学院洪波教授团队宣布实现通过植入式硬膜外电极脑机接口,帮助54岁四肢截瘫患者老杨拥有自主喝水等脑控功能,抓握准确率超过90%。

其中,无液氦脑磁图可发挥脑磁信号采集并解读数据的作用。在接受采访时,未磁科技创始人蔡宾博士表示,无液氦脑磁图仪大概只需10分钟即可完成精准、无创的定位,找到需要手术的大脑功能区域,为后续有创手术提供术前规划。

这只是无液氦脑磁图仪应用的一个方向。在更多脑部疾病领域,如癫痫、脑肿瘤、阿尔兹海默病等方向,丁铭团队研发的无液氦脑磁图仪同样发挥着重要作用。

以脑肿瘤术前功能区定位和评估为例,2023年11月,首都医科大学附属北京天坛医院季楠教授团队完成全球首例无液氦脑磁图运动功能区定位辅助下的胶质瘤切除手术。在术前,手术团队利用无液氦脑磁图仪和功能核磁进行了上肢运动功能区定位,并利用“金标准”术中皮层电刺激进行运动功能区定位验证,结果表明无液氦脑磁图仪较功能核磁定位更加准确,与皮层电刺激结果高度一致。

肿瘤成功切除后患者运动功能完整保留,病人得以重返社会正常生活。“找到肿瘤,然后切除肿瘤。”丁铭这样说,“切除肿瘤是为了活下来,而最大程度的保护脑部功能区是为了让患者更好地生活。”目前在天坛医院已开展的研究病例中,基于无液氦脑磁图仪对脑肿瘤患者进行脑功能区定位的研究成功率已经达到100%。

在癫痫病灶定位方面,无液氦脑磁图仪同样提供了一种全新方法。2024年2月,媒体报道了“全球首例无液氦脑磁图定位核磁阴性难治性癫痫手术”新闻。要知道,核磁阴性的难治性癫痫已经成为癫痫外科中公认的难点。由于常规影像学检查无法定位致痫病灶,许多此类患者也失去了通过手术达到治愈的机会。

华中科技大学同济医学院附属同济医院神经外科舒凯教授团队通过无液氦脑磁图的检查,完成癫痫患者在静息状态下1小时左右的脑磁图无创检查,经过分析,其偶极子定位于右侧额上回及额上沟,与其他检查相符且更加精准。

“这与过往检测癫痫病灶的有创技术有很大不同。”丁铭说,“常规方法需要向患者大脑中植入电极棒,而用脑磁信号进行定位,则是完全无创的,不用植入任何东西。”

而针对阿尔兹海默病,丁铭团队更加注重于病症的早期诊断。“阿尔茨海默病是一种起病隐匿的进行性发展的神经系统退行性疾病,病理改变积累缓慢,直到产生痴呆症临床症状。越是发展到后期,药物治疗的成功率就越低。”在丁铭看来,脑磁图仪有望成为早期无创检测阿尔兹海默病的重要手段。

无创、高空间分辨率和高时间分辨率是无液氦脑磁图仪独有的优势,也是产品能够快速应用于各类脑重大疾病的重要原因。丁铭认为,他们的工作就是为医生提供一个工具,帮助医生和科学家解决脑疾病检测及脑科学研究上的难题。

03产业明日之星

从想法萌芽到项目立项,丁铭说,一切还算是顺利。

2023年5月21日,国家重点研发计划“诊疗装备与生物医用材料”重点专项“新型无液氦脑磁图系统研发”项目启动会召开。该项目由北京未磁科技有限公司牵头,联合与首都医科大学附属北京天坛医院、北京航空航天大学、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、中国食品药品检定研究院、华中科技大学同济医学院附属同济医院、北京中医药大学东直门医院、北京交通大学、北京水木东方医用机器人技术创新中心有限公司协同攻关。在国家项目的支持下,团队得以快速搭建脑磁图实验室,进行高效研发和产品迭代。

丁铭面临最大的难点是如何把产品做得更好。丁铭告诉橙果局,在实际研发过程中,脑磁图产品仍然存在许多困难。

一是如何准确收集到微弱的脑磁信号。脑磁信号在颅外的强度仅在10-100fT量级,约为地球磁场的十亿分之一,十分微弱因而难以探测。

“而要测量微弱的脑磁信号则需要特别灵敏的传感器。虽然国内外针对传感器的相关研究很多,但真正能形成产品的公司不过两三家。”丁铭同时感叹,传感器要想集灵敏性、小型化于一身,是一件十分不容易的事情。

二是高密度阵列结构会影响传感器效果。脑部磁场测量需要很多通道同时进行,这意味着传感器与传感器之间也会互相影响,产生串扰,从而影响脑磁信号测量准确度。三是脑磁测量对场地及环境要求较高。需要搭建磁屏蔽系统隔绝外部磁场,而传统脑磁图仪使用的磁屏蔽房造价昂贵,占地面积大,且建设周期长,不利于脑磁图在医院的实际落地应用。

为此,丁铭团队首先是在传感器上下功夫。丁铭表示,团队使用的传感器是自主研发的全国产化传感器。据了解,这是全球为数不多进入到量产的商用量子磁场传感技术。

丁铭表示:“现在,我们研发的传感器不仅在指标上追平美国竞争对手,在集成度、可靠性等方面都比国外做得更好,尤其在对脑磁检测关键的体积上,相较于此前美国Quspin原子磁力计产品体积进一步缩小15%。”

在磁场屏蔽方面,丁铭团队利用重量不足一吨的集成式的屏蔽仓和动态磁场追踪系统实现了高效能的主被动磁场屏蔽,可方便、快速的在几乎所有医疗环境中进行部署,并大幅降低了设备的购置、安装和维护成本及难度。

▲全球首台256通道无液氦脑磁图仪,来源于未磁科技官网

024年2月3日,未磁科技发布了全球首台256通道无液氦脑磁图仪。据了解,该款产品使用了截面尺寸仅为11.4mm×15mm的全新原子磁力计,相较于此前美国Quspin原子磁力计产品体积进一步缩小15%,是目前全球最微型化的商用原子磁力计。

此外,该脑磁图仪还保持了10fT量级的极弱磁场测量灵敏度。同时还突破了256通道超高密度脑磁探测器阵列串扰及同步控制的难题,第一次使得无液氦脑磁图仪OPM-MEG通道数达到与传统超导量子干涉仪脑磁图仪SQUID-MEG相当。

对于脑磁图技术研发以及产品发展,丁铭认为:“产业发展速度很快,产品性能也快速走向成熟,很多临床专家也已经用上了我们的设备开展研究。只不过市场的培育可能还需要一定的时间。”反过来,身为科创者的她也十分希望和临床专家合作,共同推广技术走向市场。

来源:动脉橙果局

作者|沈宇婷

(来源:当代健康)

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