北京宣武醫(yī)院、上海國家兒童醫(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？原因在于汪待發(fā)領(lǐng)銜的北航技術(shù)團隊，研發(fā)出了全球首個獲得醫(yī)療器械注冊證的超100通道近紅外腦功能成像裝備，以及基于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，對于心理疾病和心身疾病的評估和診斷，始終缺乏客觀的生物學(xué)指標。”中華醫(yī)學(xué)會心身醫(yī)學(xué)分會主任委員、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，很好地填補了這方面的空白。”
黑頭發(fā)成為“攔路虎”
“誰能想到，亞洲人的黑頭發(fā)竟然成為第一個‘攔路虎’。”談起多年來研發(fā)近紅外腦功能成像技術(shù)的過程，汪待發(fā)告訴科技日報記者。
自然狀態(tài)下大腦活動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、開車、演奏樂器、交談和玩游戲等不同狀態(tài)下的大腦活動，也可用于研究兒童、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。
這種被譽為“戴在頭上的功能核磁”的裝備，此前主要由國外壟斷，單價高達數(shù)百萬元人民幣。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，所以同樣強度的光源打到腦部，歐美人和我們的吸收強度差1000倍。”汪待發(fā)對記者說。
為破解這一難題，國內(nèi)外許多研究團隊都在努力，但進展都不大。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。”汪待發(fā)回憶道，“后來，我來到北航生物與醫(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，每次找到一個新方法，在自己身上試驗沒問題，數(shù)據(jù)出來我特別高興。但換另一個人來就不行了。”汪待發(fā)笑稱，“可能是因為我的頭骨比較薄或者頭發(fā)稀少吧。到后期，我就不拿自己來做試驗了。”
最終，歷經(jīng)數(shù)百次的試驗、挫折和迭代驗證，汪待發(fā)帶領(lǐng)研發(fā)團隊，靠一種突破物理極限的近紅外超微光探測技術(shù)和獨創(chuàng)的信號提取技術(shù)，攻克了亞洲人黑色頭發(fā)覆蓋區(qū)域成像難的瓶頸，實現(xiàn)了全腦成像的重大突破。
分辨率提升數(shù)量級
2016年，依托北航校地合作平臺孵化，汪待發(fā)團隊創(chuàng)立了丹陽慧創(chuàng)醫(yī)療設(shè)備有限公司（以下簡稱“慧創(chuàng)醫(yī)療”）。“經(jīng)過3年努力，我們將近紅外腦功能成像裝備推到臨床，實現(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)負責(zé)人付其軍說。
研發(fā)團隊的腳步?jīng)]有停止。他們的下一個目標，是提高近紅外腦功能成像精度，讓拍出來的“照片”更清晰。
“人們對于看得更清楚的追求是無止境的。”付其軍說，近紅外腦功能成像技術(shù)優(yōu)點突出，但缺點也很明顯，“它的精度只能達到3厘米左右，而功能核磁的精度是3毫米，差了一個數(shù)量級。”
“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別。”汪待發(fā)說，他在讀博期間就開始嘗試解決這個問題，“當時采用基于光的傳輸原理來構(gòu)建模型，但怎么都搞不定。”
事實上，全球范圍內(nèi)也沒有科學(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曙光。
“我們敏銳地意識到引入深度學(xué)習(xí)是個方向，但最初大家都不知道怎么用。”汪待發(fā)坦言，“有一陣我們嘗試放棄傳統(tǒng)模型，重新搞一套基于深度學(xué)習(xí)的模型，失敗了。”
經(jīng)歷無數(shù)次嘗試后，他們找到了一條全新路徑——將基于神經(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態(tài)散射介質(zhì)中傳播的變化規(guī)律，再通過神經(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。”汪待發(fā)解釋道。
利用這一技術(shù)，研發(fā)團隊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能彌補功能核磁不足，且具備同等成像精度的“小能手”后，研發(fā)團隊還想打造一個“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——這是人們司空見慣的畫面。而其背后，是影像與疾病關(guān)聯(lián)的知識體系。
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、孤獨癥的表現(xiàn)？藥物治療效果又如何？
“我們想構(gòu)建一個模型，能幫助醫(yī)生分析影像信息，支撐疾病的診斷、分型、療效評估等臨床全周期應(yīng)用。”慧創(chuàng)醫(yī)療軟件開發(fā)負責(zé)人鄧皓這樣介紹研發(fā)的初衷。
“基于目標和數(shù)據(jù)構(gòu)建模型是關(guān)鍵，我們只有目標，卻沒有數(shù)據(jù)。”鄧皓說，“以孤獨癥為例，首先要確定研究病人哪些狀態(tài)下的大腦活動、采集哪些維度的數(shù)據(jù)。”
擅長寫代碼卻對疾病不甚了解的軟件開發(fā)人員，只能一頭扎進論文堆和醫(yī)院，不停地琢磨、學(xué)習(xí)、請教，摸索著前行。
與此同時，團隊先后與數(shù)十家臨床機構(gòu)建立合作關(guān)系，先后收集了數(shù)萬例動態(tài)腦功能數(shù)據(jù)。
此時，另一個難題出現(xiàn)了——如何建立數(shù)據(jù)和疾病之間的關(guān)系。
“最開始，我們的做法‘簡單粗暴’，就是直接照搬X光片、核磁等影像領(lǐng)域成熟的機器學(xué)習(xí)模型。”付其軍說。
但現(xiàn)實很快撲滅了他們的預(yù)想——已有算法并不適配近紅外腦功能成像技術(shù)，模型沒有辦法準確捕捉到與疾病關(guān)聯(lián)的特征數(shù)據(jù)。
“我們只好轉(zhuǎn)變思路，回歸到近紅外技術(shù)本身，研究它獨特的基于神經(jīng)血管耦合本質(zhì)的信號規(guī)律，對思維的動態(tài)數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、清洗、映射、整合，提取時域頻域多維度的特征，再融合到類腦人工智能模型中。”鄧皓說，“就這樣不厭其煩地工作，疾病智能診療模型終于初見成效。”
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。
對汪待發(fā)而言，近20年的研發(fā)歷程 ，是個“艱難但幸福的過程”。展望未來，他信心滿懷地說：“只要堅定創(chuàng)新自信，找準方向，扭住不放，敢于走別人沒有走過的路，就能打破國外技術(shù)壟斷，不斷創(chuàng)造世界領(lǐng)先的科技成果！”
（記者 操秀英）