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发表于 2021-3-7 13:29:50
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2、子方向2:基于原子自旋SERF效应的极弱人体磁源成像
在医学和脑科学领域,目前采用的基于血氧依赖水平的fMRI(功能核磁共振成像)的时间分辨率仅能达到秒级,并且只是间接反应脑活动的总体激活情况。基于生物电的成像技术,如非侵入式脑电图由于难以构建精确地容积电流传导模型,因而空间分辨率较低。而对于脑神经传导、认知活动激活模式、脑源级网络构建等极弱磁生物电生理分析,急需满足fT(10-15特斯拉)量级甚至亚fT量级采集的超高灵敏磁场测量仪器以建立高时空分辨率的成像系统,进而实现对生物体的磁源成像分析。与核磁共振检测相比,磁源成像是一种被动无损检测方式,无需对人体外加磁场,而是检测生物电流活动在自然状态下产生的极弱磁场,能够更加精确的反映生物电磁场活动,并具有更好的时间分辨率。
无论是脑科学的研究还是脑疾病的诊断,未来发展的趋势都是一个从局部到整体,从局部脑功能区扩展到涉及多个脑功能区的脑连接性与脑网络的研究过程。但目前仍然缺少有效的技术手段以精准地还原认知任务(如语言等)中各神经加工过程对应的脑功能区激活模式。这就要求具有高时间、空间分辨率的新型成像技术和工具,用于表征由相互连接的振荡活动源形成的大脑功能网络。这是脑科学研究和脑疾病诊断面临的重要挑战,但同时也是脑科学研究和脑疾病诊断发展的重大机遇。心脏的疾病诊断和中医针灸同样缺乏有效的测量工具,因此也迫切需要具有高时间、空间分辨率的新型成像技术和工具。可预见,未来基于原子自旋SERF效应的脑磁/心磁等成像装置将为科学家和医生带来的更好的研究和诊断工具。
极弱磁成像,例如脑磁成像的优势是能够在高空间分辨率下反应大脑活动毫秒量级上变化的动态过程。利用这些信息可以精确还原大脑加工信息的整体过程,并观察信号如何随时间变化的。另外,由于低频神经磁场没有受到头骨严重干扰,因此可以准确地定位大脑特定区域的活动情况。通过配准与核磁共振大脑解剖结构图像相结合,成像技术得到在大脑在特定区域内的神经活动激活模式,从而帮助人类了解大脑的功能和疾病的介观机制。基于原子自旋SERF效应的极弱磁测量可以使空间分辨率和磁源定位精度进一步提高,达到毫米级的空间分辨率,从而为脑科学研究、脑疾病诊断研究提供有力的工具。基于原子自旋SERF效应的脑磁测量将会更快更准地检测到人体磁场,从而追踪其来源,可以确定大脑的哪些部位用于不同的心理认知过程或出现神经异常电活动。还可以确定大脑功能区之间的交互过程,从而可以构建大脑中的有向复杂网络。
在脑疾病诊断方面,目前基于结构成像的医疗设备无法对癫痫,发育性脑疾病,例如自闭症、发育障碍等;退行性脑疾病,例如阿尔兹海默病、帕金森症等;还有其他精神类疾病,如抑郁症、精神分裂症等进行有效的诊断,而基于原子自旋SERF效应的脑磁成像在这类疾病的诊断上具有优势,未来必将在这些领域发挥重要作用。在心脏疾病诊断方面,由于基于SERF原子自旋SERF效应的极弱磁心磁成像具有特异性、高灵敏、高空间分辨率、探头灵活、非接触等特点,基于SERF原子自旋SERF效应的极弱磁心磁成像未来将在心率失常类疾病的高精度心磁溯源定位、辅助制定手术预案,术后康复评估;缺血性心脏病、胎儿心磁的非接触快速诊断、心脏活力评估;胎儿心律失常、生长发育评估的早早期诊断等三个方面医学应用快速发展。在中医机理研究方面,目前中医针刺机理研究主要集中在研究针刺人体经络穴位后脑磁信号的变化,得到针刺后脑磁图的变化的合理解释,以评估穴位的特异性,得出治病机理。目前仅对少数穴位且单一穴位进行研究,未来应对穴位配比、针刺细节等多因素对在大脑的影响开展全面研究,优化针灸治疗方案。另外,除大脑外,还可以利用极弱磁成像装置测量肌磁,尝试经脉的测量。利用仪器测量人体极弱磁场,进行穴位、经络机理及中医“心主神明”、整体认知、干预归经等中医生理及干预效应测量与评估。
北航已经搭建出可穿戴式的脑磁图研究装置并实现了基于32通道可穿戴式SERF脑磁测量的数据采集及定源处理。同时利用团队研发的原子磁强计搭建了双通道脑磁测试装置,实现了脑磁信号的精确采集。与首都医科大学附属天坛医院合作开展多项临床实验。听觉定位实验显示该时域响应同目前成熟的脑电测试结果一致,可以验证脑磁图设备的有效性,定位精度已超过已发表的国内外研究结果。目前也已完成视觉皮层定位实验,后期将开展情绪的深部核团的脑磁信号探测。与首都医科大学附属北京儿童医院开展针对OSAS儿童心与脑系统并发症的超高灵敏磁测量的研究。
近年来,房建成院士团队在极弱磁测量方面的研究基础,从2014年开始进行基于SERF效应的小型化原子磁强计的研制,在2016年实现了体积28×13.9×9cm3,磁场测量灵敏度8.6fT/Hz1/2的原理样机。随后,面向脑磁/心磁测量的需求继续深入开展研究,2019年的研制出的原理样机体积1.8×3.15×10cm3,灵敏度30fT/Hz1/2,同等体积下与国外最高水平的原子磁强计灵敏度相当。并计划通过进行进一步关键技术的攻关,在探头灵敏度和探头尺寸上达到国际领先平。为基于原子自旋SERF效应的极弱磁成像装置的研制打下坚实的基础。
图13脑磁心磁检测功能成像高端医疗装备在国民经济中的重要性
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