“扭住不放”破難題
——我國(guó)近紅外腦功能成像技術(shù)攻關(guān)紀(jì)實(shí)
北京宣武醫(yī)院、上海國(guó)家兒童醫(yī)學(xué)中心、杭州第七人民醫(yī)院……春節(jié)前夕,北京航空航天大學(xué)生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院副教授汪待發(fā)依然在四處奔波。他應(yīng)邀前往各地醫(yī)院,談合作、看病例、講技術(shù)、解難題。
一位高校科研人員,緣何如此受醫(yī)院系統(tǒng)歡迎?原因在於汪待發(fā)領(lǐng)銜的北航技術(shù)團(tuán)隊(duì),研發(fā)出了全球首個(gè)獲得醫(yī)療器械注冊(cè)証的超100通道近紅外腦功能成像裝備,以及基於近紅外腦功能成像技術(shù)建立了疾病智能診療模型。
“一直以來(lái),對(duì)於心理疾病和心身疾病的評(píng)估和診斷,始終缺乏客觀的生物學(xué)指標(biāo)。”中華醫(yī)學(xué)會(huì)心身醫(yī)學(xué)分會(huì)主任委員、東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院心身醫(yī)學(xué)科教授袁勇貴介紹,“近紅外腦功能成像技術(shù)的應(yīng)用,很好地填補(bǔ)了這方面的空白?!?/p>
黑頭發(fā)成為“攔路虎”
“誰(shuí)能想到,亞洲人的黑頭發(fā)竟然成為第一個(gè)‘?dāng)r路虎’。”談起多年來(lái)研發(fā)近紅外腦功能成像技術(shù)的過(guò)程,汪待發(fā)告訴科技日?qǐng)?bào)記者。
自然狀態(tài)下大腦活動(dòng)的高分辨成像一直是世界難題,近紅外腦功能成像裝備被認(rèn)為是解決這一難題的有效手段。這種裝備可以記錄人們走路、開(kāi)車、演奏樂(lè)器、交談和玩游戲等不同狀態(tài)下的大腦活動(dòng),也可用於研究?jī)和?、幽閉恐懼癥患者和其他難以接受磁共振成像設(shè)備掃描的人群。
這種被譽(yù)為“戴在頭上的功能核磁”的裝備,此前主要由國(guó)外壟斷,單價(jià)高達(dá)數(shù)百萬(wàn)元人民幣。然而,如此昂貴的裝備,卻不能解決亞洲人黑色頭發(fā)覆蓋區(qū)域(頂葉、枕葉等)成像的難題。
“歐美人大多是黃頭發(fā),而亞洲人是黑頭發(fā),黑色吸收的光更多,所以同樣強(qiáng)度的光源打到腦部,歐美人和我們的吸收強(qiáng)度差1000倍?!蓖舸l(fā)對(duì)記者說(shuō)。
為破解這一難題,國(guó)內(nèi)外許多研究團(tuán)隊(duì)都在努力,但進(jìn)展都不大。汪待發(fā)從本科起就參與相關(guān)研究,一直到博士畢業(yè),他所在的課題組也未獲突破。
“積累了近十年,放棄太可惜了?!蓖舸l(fā)回憶道,“后來(lái),我來(lái)到北航生物與醫(yī)學(xué)工程學(xué)院,在樊瑜波、李德玉等血流動(dòng)力學(xué)分析和高精密傳感專家的幫助下,繼續(xù)探索不同的技術(shù)路徑。”
“從0到1”的突破,總是伴隨著“在希望和絕望中煎熬”的經(jīng)歷。
“讓人哭笑不得的是,每次找到一個(gè)新方法,在自己身上試驗(yàn)沒(méi)問(wèn)題,數(shù)據(jù)出來(lái)我特別高興。但換另一個(gè)人來(lái)就不行了?!蓖舸l(fā)笑稱,“可能是因?yàn)槲业念^骨比較薄或者頭發(fā)稀少吧。到后期,我就不拿自己來(lái)做試驗(yàn)了?!?/p>
最終,歷經(jīng)數(shù)百次的試驗(yàn)、挫折和迭代驗(yàn)証,汪待發(fā)帶領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì),靠一種突破物理極限的近紅外超微光探測(cè)技術(shù)和獨(dú)創(chuàng)的信號(hào)提取技術(shù),攻克了亞洲人黑色頭發(fā)覆蓋區(qū)域成像難的瓶頸,實(shí)現(xiàn)了全腦成像的重大突破。
分辨率提升數(shù)量級(jí)
2016年,依托北航校地合作平臺(tái)孵化,汪待發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)立了丹陽(yáng)慧創(chuàng)醫(yī)療設(shè)備有限公司(以下簡(jiǎn)稱“慧創(chuàng)醫(yī)療”)?!敖?jīng)過(guò)3年努力,我們將近紅外腦功能成像裝備推到臨床,實(shí)現(xiàn)了本領(lǐng)域高端自主裝備零的突破。”慧創(chuàng)醫(yī)療研發(fā)負(fù)責(zé)人付其軍說(shuō)。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)的腳步?jīng)]有停止。他們的下一個(gè)目標(biāo),是提高近紅外腦功能成像精度,讓拍出來(lái)的“照片”更清晰。
“人們對(duì)於看得更清楚的追求是無(wú)止境的?!备镀滠娬f(shuō),近紅外腦功能成像技術(shù)優(yōu)點(diǎn)突出,但缺點(diǎn)也很明顯,“它的精度隻能達(dá)到3厘米左右,而功能核磁的精度是3毫米,差了一個(gè)數(shù)量級(jí)?!?/p>
“行業(yè)內(nèi)專家一直想把近紅外腦功能成像精度提高到功能核磁的級(jí)別。”汪待發(fā)說(shuō),他在讀博期間就開(kāi)始嘗試解決這個(gè)問(wèn)題,“當(dāng)時(shí)採(cǎi)用基於光的傳輸原理來(lái)構(gòu)建模型,但怎麼都搞不定?!?/p>
事實(shí)上,全球范圍內(nèi)也沒(méi)有科學(xué)家搞定。幾年后,人工智能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展,為解決這一難題帶來(lái)曙光。
“我們敏銳地意識(shí)到引入深度學(xué)習(xí)是個(gè)方向,但最初大家都不知道怎麼用?!蓖舸l(fā)坦言,“有一陣我們嘗試放棄傳統(tǒng)模型,重新搞一套基於深度學(xué)習(xí)的模型,失敗了?!?/p>
經(jīng)歷無(wú)數(shù)次嘗試后,他們找到了一條全新路徑——將基於神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像重建框架和模型,與傳統(tǒng)物理模型相結(jié)合。
“光學(xué)傳播物理模型可以描述近紅外光在動(dòng)態(tài)散射介質(zhì)中傳播的變化規(guī)律,再通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)學(xué)習(xí),我們有效地將這種變化規(guī)律轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像重建的規(guī)則和方法?!蓖舸l(fā)解釋道。
利用這一技術(shù),研發(fā)團(tuán)隊(duì)將近紅外腦功能成像的空間分辨能力提升至5毫米左右。
新模型看懂影像圖
將成像裝備改造成一個(gè)能彌補(bǔ)功能核磁不足,且具備同等成像精度的“小能手”后,研發(fā)團(tuán)隊(duì)還想打造一個(gè)“聰明的系統(tǒng)”,以便快速讀懂影像。
醫(yī)生拿起影像一看,大概就能判斷出病癥——這是人們司空見(jiàn)慣的畫(huà)面。而其背后,是影像與疾病關(guān)聯(lián)的知識(shí)體系。
近紅外腦功能成像技術(shù)是一種新的技術(shù),它輸出的是一種全新的影像,該如何解讀?哪類影像是失眠癥、抑郁癥、孤獨(dú)癥的表現(xiàn)?藥物治療效果又如何?
“我們想構(gòu)建一個(gè)模型,能幫助醫(yī)生分析影像信息,支撐疾病的診斷、分型、療效評(píng)估等臨床全周期應(yīng)用?!被蹌?chuàng)醫(yī)療軟件開(kāi)發(fā)負(fù)責(zé)人鄧皓這樣介紹研發(fā)的初衷。
“基於目標(biāo)和數(shù)據(jù)構(gòu)建模型是關(guān)鍵,我們隻有目標(biāo),卻沒(méi)有數(shù)據(jù)。”鄧皓說(shuō),“以孤獨(dú)癥為例,首先要確定研究病人哪些狀態(tài)下的大腦活動(dòng)、採(cǎi)集哪些維度的數(shù)據(jù)?!?/p>
擅長(zhǎng)寫(xiě)代碼卻對(duì)疾病不甚了解的軟件開(kāi)發(fā)人員,隻能一頭扎進(jìn)論文堆和醫(yī)院,不停地琢磨、學(xué)習(xí)、請(qǐng)教,摸索著前行。
與此同時(shí),團(tuán)隊(duì)先后與數(shù)十家臨床機(jī)構(gòu)建立合作關(guān)系,先后收集了數(shù)萬(wàn)例動(dòng)態(tài)腦功能數(shù)據(jù)。
此時(shí),另一個(gè)難題出現(xiàn)了——如何建立數(shù)據(jù)和疾病之間的關(guān)系。
“最開(kāi)始,我們的做法‘簡(jiǎn)單粗暴’,就是直接照搬X光片、核磁等影像領(lǐng)域成熟的機(jī)器學(xué)習(xí)模型?!备镀滠娬f(shuō)。
但現(xiàn)實(shí)很快撲滅了他們的預(yù)想——已有算法並不適配近紅外腦功能成像技術(shù),模型沒(méi)有辦法準(zhǔn)確捕捉到與疾病關(guān)聯(lián)的特征數(shù)據(jù)。
“我們隻好轉(zhuǎn)變思路,回歸到近紅外技術(shù)本身,研究它獨(dú)特的基於神經(jīng)血管耦合本質(zhì)的信號(hào)規(guī)律,對(duì)思維的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、清洗、映射、整合,提取時(shí)域頻域多維度的特征,再融合到類腦人工智能模型中?!编囸┱f(shuō),“就這樣不厭其煩地工作,疾病智能診療模型終於初見(jiàn)成效。”
如今,近紅外腦功能成像技術(shù)及相關(guān)模型已在北京協(xié)和醫(yī)院、上海華山醫(yī)院、清華大學(xué)等800余家單位示范應(yīng)用。
對(duì)汪待發(fā)而言,近20年的研發(fā)歷程 ,是個(gè)“艱難但幸福的過(guò)程”。展望未來(lái),他信心滿懷地說(shuō):“隻要堅(jiān)定創(chuàng)新自信,找準(zhǔn)方向,扭住不放,敢於走別人沒(méi)有走過(guò)的路,就能打破國(guó)外技術(shù)壟斷,不斷創(chuàng)造世界領(lǐng)先的科技成果!”
(記者 操秀英)
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