“戴在头上的功能核磁”装备成“拦路虎”

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为什么大学研究员在医院系统如此受欢迎？ 原因在于，王代发领衔的北航技术团队研发出了全球首台获得医疗器械注册证的百通道近红外脑功能成像设备，建立了基于近红外的智能疾病诊疗模式。 -红外脑功能成像技术。

“对于精神疾病和心身疾病的评估和诊断，一直缺乏客观的生物学指标。” 中华医学会心身医学分会主任委员、东南大学附属中大医院心身医学科教授袁永贵表示，“近红外脑功能成像技术的应用很好地填补了这一空白。”

黑发成为“绊脚石”

“谁能想到，亚洲人的黑发成了第一个‘绊脚石’。” 谈及多年来近红外功能脑成像技术的发展历程，王代发告诉科技日报记者。

自然条件下大脑活动的高分辨率成像一直是世界难题，近红外功能脑成像设备被认为是解决这一问题的有效手段。 该设备可以记录行走、驾驶、演奏乐器、说话、玩游戏等不同状态下的大脑活动。 它还可以用于研究儿童、幽闭恐惧症患者和其他磁共振成像设备扫描有困难的人。

这种被称为“头戴式功能性核磁共振”的设备此前主要被国外垄断，单价数百万元。 然而，如此昂贵的设备无法解决亚洲人黑发覆盖区域（顶叶、枕叶等）的成像问题。

“欧美人大多是黄色头发，而亚洲人则是黑色头发。黑色吸收的光更多，所以当相同强度的光源照射到大脑时，欧美人的吸收强度与我们相差1000倍。” 王代发告诉记者。

为了解决这个问题，国内外许多研究团队都在努力，但进展甚微。 王代发自本科毕业以来一直从事相关研究。 直到他获得博士学位，他的研究小组才取得突破。

“有了近十年的积累，如果放弃就太可惜了。” 王代发回忆道，“后来，我来到了北航生物与医学工程学院，在范宇波、李德宇等血流动力学分析和高精度传感专家的帮助下，我继续探索不同的技术路径。 ”

“从0到1”的突破总是伴随着“希望与绝望中的煎熬”的经历。

“让人哭笑不得的是，每次找到新的方法，在自己身上测试一下都是没问题的，数据出来的时候我很高兴，但换了别人就不行了。” 王大发笑道：“可能是因为我的头骨比较薄，也可能是我的头发稀疏了，后期我不会拿自己当实验品了。”

最终，经过上百次实验、挫折和迭代验证，王代发带领研发团队依靠突破性的近红外超微光探测技术，攻克了亚洲人黑发覆盖区域成像的难题。物理极限和原始信号提取技术。 突破瓶颈，在全脑成像方面取得重大突破。

分辨率提高了几个数量级

2016年，依托北航校地合作平台孵化，王代发团队创办了丹阳市汇创医疗器械有限公司（以下简称“汇创医疗”）。 “经过三年的努力，我们将近红外功能脑成像设备推向临床，实现了该领域高端自主设备的突破。” 汇创医疗研发部负责人付启军表示。

研发团队并没有停下脚步。 他们的下一个目标是提高近红外脑功能成像的准确性，让“照片”更清晰。

“人们对看得更清楚的追求是永无止境的。” 付启军表示，近红外功能脑成像技术优势突出，但缺点也很明显。 “它的精度只能达到3厘米左右，而功能性核磁共振技术的精度为3毫米，相差了一个数量级。”

“业内专家一直希望将近红外脑功能成像的准确性提高到功能MRI的水平。” 王代发说，他在读博士期间就开始尝试解决这个问题。 学习。 “当时是利用基于光的传输原理来构建模型，但无论如何也处理不了。”

事实上，世界上还没有科学家弄清楚这一点。 几年后，人工智能和深度学习技术的发展给解决这个问题带来了希望。

“我们敏锐地意识到引入深度学习是一个方向，但一开始没有人知道如何使用它。” 王代发坦言，“有一段时间我们试图放弃传统模式，建立基于深度学习的新模型，但失败了。”

经过无数次尝试，他们找到了一条新路径——将基于神经网络的图像重建框架和模型与传统物理模型相结合。

“光学传播的物理模型可以描述近红外光在动态散射介质中传播的变化规律，然后通过神经网络的自适应学习，我们有效地将这种变化规律转化为图像重建的规则和方法。” 王大发解释道。 。

利用这项技术，研发团队将近红外功能性脑成像的空间分辨率提高到了5毫米左右。

新模型理解图像

在将成像设备改造为可以弥补功能性核磁共振不足并具有同等成像精度的“小专家”后，研发团队还想打造一个快速理解图像的“智能系统”。

医生拿起图像看一下就能大致判断出疾病——这是人们常见的景象。 其背后是与图像、疾病相关的知识体系。

近红外脑功能成像技术是一项新技术。 它输出一个全新的图像。 如何解读呢？ 失眠、抑郁、自闭症的表现是什么样的？ 药物治疗的效果如何？

“我们希望建立一个模型，可以帮助医生分析图像信息，支持疾病诊断、分类、疗效评价等全周期临床应用。” 汇创医疗软件开发负责人邓浩介绍了研发初衷。

“基于目标和数据建立模型是关键。我们只有目标，没有数据。” 邓浩说，“以自闭症为例，我们首先要确定研究患者大脑活动的哪些状态，收集哪些维度的数据。”

擅长写代码但对疾病了解不多的软件开发人员只能一头扎进论文堆和医院里，不断思考、学习、求教、摸索前进的道路。

同时，团队与数十家临床机构建立了合作关系，收集了数万例动态脑功能数据。

此时，另一个难题出现了——如何建立数据与疾病之间的关系。

“一开始，我们的做法‘简单粗暴’，就是直接复制X射线、MRI等影像领域成熟的机器学习模型。”付启军说。

但现实很快就浇灭了他们的期望——现有的算法并不适合近红外功能性脑成像技术，模型无法准确捕捉与疾病相关的特征数据。

“我们别无选择，只能改变思维，回归近红外技术本身，基于神经血管耦合的本质，研究其独特的信号规律，对思维的动态数据进行预处理、清洗、映射、整合，提取多时域和频域的维度特征。 ，然后融入到类脑人工智能模型中。”邓浩说，“经过这样的不懈努力，疾病智能诊疗模型终于取得了阶段性成果。”

如今，近红外功能脑成像技术及相关模型已在北京协和医院、上海华山医院、清华大学等800余家单位进行论证和应用。

对于王代发来说，近20年的研发过程是“艰难但快乐的过程”。 展望未来，他充满信心地说：“只要我们坚定创新信心，找准方向，坚持下去，敢于走别人没有走过的路，就一定能打破国外技术垄断。”不断创造世界领先的科技成果！”