《新型脑细胞外间隙成像分析方法的建立》

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1、研究目的:建立一种新型成像分析方法,对人类尚未认识和开发的脑内纳米尺度超微结构-细胞外间隙(extracellular space,ECS)进行了解密工作。应用新方法,阐释了脑内组织液引流途径,发现了组织液的分区引流现象,证实了髓鞘是导致ECS分区的结构基础,并由此提出脑分区稳态理论。在此基础上发明了较美军专利技术更加高效、低毒、精准的新型经ECS途径脑病给药方法,解决了因血脑屏障导致治疗药物入脑的难题,新方法已获批中国和美国专利。除脑科学领域的应用,新方法在新药研发、组织工程以及新型人工智能神经网络模型的建立等前沿领域也得到应用。

2、主要技术创新点:申请人所建立的磁示踪成像分析法,解决了脑内纳米尺度不规则超微结构活体探测与定量分析的难题。主要技术创新点总结如下:

(1)原理创新:以射频作为信号源,突破了国际通用测量方法(电化学法和光学测量法)在探测深度与维度上的技术限度,解决了脑ECS信号深度探测的技术难题。采用精准分布于ECS的顺磁性或光磁双模态探针,应用磁共振成像动态采集三维信息,从而实现对ECS内组织液引流动态分布的信号的探测。

(2)理论建模创新:应用改良的磁共振三维序列进行动态成像,获取富含空间和时间信息的目标函数,对方程系数进行最优化迭代、数值计算获取超微结构的特征信息,解决了ECS结构参数的求解和计算难题,是唯一实现三维各向异性建模的活体分析方法。

(3)工程技术创新:围绕扩散方程求解的目标函数的优化,建立了信号源合成、信号采集、扩散建模、信号分析、图像处理等新技术。具体而言,合成了新型光磁双模态探针,研制了新型射频信号采集系统和信号定标系统。同时,应用图像处理技术,实现脑深部组织液引流的三维可视化观察与定量分析。

3、成果产生的价值(成果应用推广及对行业、产业发展的推动):上述发明解决了脑深部ECS结构的定量分析难题,该技术已被国内外30余家科研单位应用于研究工作,包括美国RICE大学、DUKE大学、德国霍姆赫兹环境卫生研究中心、天然与仿生药物药学国家重点实验室、山东大学、北京市儿童医院等。成果应用于万东医疗、中科理想等医疗设备生产企业,产品出口东南亚市场,取得经济效益896万美元,为国产医学影像设备和技术创新发展提供支撑。申请人也因此获得了中国青年科技奖、国家杰出青年基金,并入选2018年首都科技领军人才。新技术新方法已在全国培训了3500人。

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