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以核磁为眼,洞悉病情

来源:  发布时间:2023-04-11

——记宁波诺丁汉大学医学影像中心主任王成波

王 芳 谭 凯

 

从一度担心无法毕业,到2007年博士毕业半年内获得北美放射学会研究员研究奖,并于2008年荣获国际医学磁共振学会青年科学家临床医学奖(中国内地学者首次获奖),再到因突出成就,于2012年被选举为国际医学磁共振学会超级化媒介成像研讨组秘书长,2013年又担任超极化媒介成像组主席,并作为首席科学家获得美国国立卫生院超千万元科研资助;从回国初期科研工作几乎停滞,到与同事合力引进英国诺丁汉大学享誉世界的医学影像中心,成立宁波分中心,再到近年来频频承担科技部数字诊疗重点专项项目等重任……在宁波诺丁汉大学医学影像中心主任王成波的科研人生中,充满了这样跌宕起伏的历程。低谷之后的每一次跃升,都是他对以技术服务病人和造福大众的强烈渴望与坚守。

 

投身核磁蛰伏沉淀

突破难题扬名海外

 

1975年,王成波出生于山东胶州一个乡村教师家庭,在耳濡目染下,他从小聪慧好学,兴趣广泛。在胶州实验高中就读期间,他不仅成绩常年名列榜首,还连续获得数学、物理、化学和生物竞赛多个全国奖。“山东是肝炎重灾区,我的母亲一直备受肝炎困扰,最终也因肝癌离世。我对医学有浓厚兴趣,起因就是希望缓解母亲的病痛。后来在报考大学时,由于清华大学没有医学院,而陈章良教授又提出‘21世纪是生物学的世纪’,我便选择了清华大学生物医学。”从农门跃入名校,王成波成为胶州实验高中建校以来第一个考入清华大学的学生。

在清华大学,王成波展现了突出的实验设计能力。他以微循环成像作为第一个研究方向,凭借自编的微循环图像处理软件,拿到优秀毕业设计奖。1999年本科毕业,他免试直读,跟随本校张志广教授读研,主要研究人体微循环。研究生期间,他还受首都医科大学邀请,兼职讲授医学超声成像原理课程。2002年,为了开阔视野,深造科研,他申请赴美读博。面对多所高校的邀请,他最终选择了弗吉尼亚大学,并在那获得博士奖学金。

“在美国,我首先研究的是超声。后来我发现自己对肺部疾病和核磁共振成像技术(MRI)更感兴趣,转而加入了核磁共振肺部成像中心。”弗吉尼亚大学在氦气核磁共振技术上属于国际第一梯队,王成波的博士生导师是一位成就卓越、平易近人的教授。“但是,起初我因为不了解导师的风格,一味埋头苦干,鲜少主动交流,两年里虽然扎实地学习了核磁物理学,深入研读了本领域内的几百篇论文,在课题研究上却十分不顺。”

王成波的具体研究方向——长弥散时间氦气弥散成像,是一个难度相当大的领域。弥散成像的基本原理是使分子自由地弥散,当分子弥散受到局部结构限制时,相应的弥散会变慢。使用核磁共振弥散成像技术可以测量分子的弥散速度,从而间接估计局部的微结构信息。氦气弥散成像技术的原理与此类似,如果肺泡壁被吸入的烟雾破坏,测量到的气体弥散速度就会加快。以前的氦气弥散成像技术所控制的弥散时间限制在1毫秒左右,敏感度不够高,而高敏感度正是早期肺病诊断的关键。

为了提高敏感度,2002年,圣路易华盛顿大学的研究人员开发了一种方法,使用条纹调制的方法,观测条纹的衰减速度,并宣称这一方法大大提高了敏感度。但是在改进这一方法的过程中,学界人士却始终无法精准确定弥散时间,无法真正做到点阵成像。王成波在重复圣路易华盛顿大学的这一方法的过程中,也发现了不少问题,在解决问题的过程中,他积淀了丰富的理论知识,研究的实验技术和序列开发技术也渐趋成熟,可距离真正的成果产出却始终有一段距离。

2005年春节,博士三年级,独在异国又逢经济危机,内心苦闷的王成波担忧博士无法毕业,一度认真考虑起退学考证投身华尔街的想法。然而,转机就在几个月后悄然出现。“5月,国际医学核磁共振学会年会在迈阿密召开,导师派我参加。那是我第一次参加重量级的学术年会,启发非凡,豁然开朗。”从年会回来后的一个月内,王成波兴奋地埋首实验室,确定了新的研究思路,独自编写了接近100个计算机仿真程序,建立了十几个不同的序列,试图找出最好的序列,以极快的速度完成了计算机仿真和模型试验。“那一个月里,我基本把日后10年的科研框架都搭建好了。”

20057月初,王成波将研究成果一一汇报,导师欣慰地表示,原本5月还觉得他恐怕难以毕业,没想到两个月后,就做出了可喜的成果。然而,当时距离毕业时间已经很近了,王成波时间紧张,他加强了与导师的交流,在其指导下争分夺秒推进后续工作。2006年,他发表了自己的第一篇论文,斩获西雅图国际核磁共振学会年会的肺成像论文展报竞赛第一名,迅速引来新一轮的跟随研究。2007年,他顺利取得博士学位,被著名的费城儿童医院放射科聘为核磁物理师,将相关核磁成像序列成功推广到临床实验。经过与放射科医生的密切合作,王成波首次证明了被动吸烟可以诱发肺部结构损害,实验证实了新技术的可靠性,具有成为一种新的肺部疾病诊断评估平台的潜力。同年年底,他获得了北美放射协会“研究员研究奖”。后续,他因研究成果首次证实了二手烟会导致早期肺气肿,被超过2000家媒体(如《纽约时报》等)追踪报道,引起世界范围内的影响。

历经两年多蛰伏沉淀、两年多突飞猛进之后,鲜花与掌声纷至沓来,王成波成长为业内小有名气的专家,母校弗吉尼亚大学向他投来了橄榄枝,聘任他为医学院放射系助理教授,他由此开启了新的研究篇章。这一阶段,在肺气肿疾病研究成果之外,王成波还使用新方法探查哮喘疾病,并很快首次识别出哮喘病人中的深层肺部结构损害。2008年,在加拿大举行的第十六届国际医学核磁共振学会年会上,凭借创新的设计和出色的科学汇报,他从空前多的竞争者中脱颖而出,被授予青年科学家临床医学奖,成为第一位获此殊荣的中国内地学者。

 

回国效力服务临床

成果转化造福社会

 

“获奖后我多次作为北美学界代表参加各种活动。2013年,习近平总书记访美,鼓励我们要学好知识,将知识带回国,用在国内。我深受触动,下定决心回国。”当时,摆在王成波面前有不少好选择,包括回母校清华大学、去中国科学院,以及加入钟南山院士团队,最终他选择了一条看起来更艰难的道路,入职宁波诺丁汉大学,从零开始组建团队。

“宁波诺丁汉大学是中外合作大学,有英国诺丁汉打下的良好底子,我加入后又与同事合力将英国诺丁汉大学享誉世界的医学影像中心引进来,成立了宁波分中心,担任中心主任。”早在回国前夕,王成波已经与宁波高新技术企业鑫高益医疗设备股份有限公司有了初步洽谈,计划合作研发新型核磁共振技术。虽然回国后初期,科研工作几乎停滞,但是功夫不负有心人,2016年历经艰难磨合,第一个项目终于签订。2017年,随着团队建设、设备引进、项目研发等一系列工作初有成效,学校追加近千万元投资,为医学影像中心的发展注入了一剂强心针。2018年,作为课题负责人,王成波承担了国家科技部数字诊疗重点专项项目。同年,在宁波市科协的资助下,他主持了中英高端医学核磁共振研讨会,促进了中心的学术交流。2019年,凭借多项创新成绩,王成波又获批浙江省“万人计划-科技创新领军人才”项目。近5年来,王成波团队发展迅速,利用多核MRI技术来做肺部的磁共振诊断,研发无液氦低温超导磁体技术,并在此基础上推出可旋转MRI、新生儿MRI、竖立式MRI和术中可移动MRI等一系列服务临床的技术应用。

作为磁共振超导磁体的理想冷冻气体,液氦在MRI的用量占全球氦气供应的25%30%。然而氦资源在自然界中含量极微,中国所占比例仅为0.2%。近年来,全球各大科研机构和磁共振生产厂家都在探索研发少液氦乃至无液氦超导MRI系统。“1.5T无液氦低温超导磁体技术研发”是2019年度科技部重点研发计划项目,由宁波诺丁汉大学、鑫高益医疗设备股份有限公司、中国科学院大学宁波华美医院等单位共同研发。2022年,历经3年产学研合作,其转化成果——磁共振成像系统获批门槛极高的三类创新医疗器械注册证,成为宁波市历史上首个获批的国家级三类创新医疗器械。

新型“磁共振成像系统”的主要创新点是采用了无液氦超导磁体技术,超导磁体采用制冷机直接传导冷却。与以往液氦对磁体中的超导线圈进行冷却的超导磁共振产品相比,此产品具有生产使用成本更低、磁体结构简化、磁体重量降低等优势。此外,液氦的属性令传统磁共振扫描只能以卧姿进行,因为MRI一旦发生移动旋转,极易引发液氦气化爆炸、磁体失超。而无液氦冷却技术壁垒的突破,为接下来的技术路线——多姿态磁共振检查技术方案奠定了坚实基础。目前,王成波团队正在全力研发可旋转多姿态无液氦核磁共振成像系统。无液氦核磁共振成像系统的研究不仅对我国氦资源的战略发展有着重要意义,而且有望用于航天、量子计算等领域。在王成波看来,它的另一个社会效益则体现在核磁共振检测的普及化,可以大大降低普通人的检测费用,促进疾病的早发现、早治疗。

在新生儿MRI方面,王成波团队针对保育箱降噪与光电传感技术进行了研究。“以前新生儿很少能做核磁,他们刚出生易感染,离不开保育箱。而保育箱因与电子不兼容,一进核磁共振房间就失灵,且核磁共振噪声大,对婴儿很不友好。我们联合企业开展研究,想到了一种新方法来解决降噪的难题。”目前,这项研究已经取得了初步成果,接下来王成波还打算带着学生做一些动态测量,让结论更完善。

而利用多核MRI技术来做肺部的磁共振诊断,源于王成波2008年的获奖成果——新型氦气弥散核磁共振成像方法。2020年,为更好应对新型冠状病毒感染诊疗中的肺部成像难题,他重启了这项成果的转化工作,同莫斯科国立大学及印度一家医院,联合研发利用多核MRI技术包括超极化惰性气体来做肺部的磁共振诊断。其中,氪83的超极化和成像技术是世界首创,利用激光器可以把信号增强到原来的50多万倍。并且,技术成本低,除去激光器外,其他部件成本不超过20万元。这一技术的开发,实现了肺部疾病的早期、精确、无损检测,对慢阻肺、肺纤维化、肺癌等疾病的防治有重大推动作用。

目前,王成波团队有4名青年老师,平时他除了指导博士生进行独立科研外,还注重本科生创新能力的培养。“我希望教会学生科学研究的一些基本方法,教会他们如何看待问题、寻找解决方案。”在教学上,他注重充分调动学生的积极性,通过生动的案例、具体的实验、清晰的理论知识体系等来帮助学生理解难点。

也许是最初因母亲的疾病而走生物医学道路,后来又长期与医院密切合作,所以王成波对于自己的成果能否真正用于临床治病救人,有着非同一般的渴望。然而,科学研究及其技术成果转化的道路涉及方方面面,注定充满曲折。“我很喜欢《肖申克的救赎》里那句经典台词:生命可以归结为一种简单的选择——要么忙于生存,要么赶着去死。人生总有低谷和挫折,而我选择冲破牢笼,捕获渴望。”

(责编:王芳)


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2024年5月

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