磁源溯影 | 专访北航丁铭教授：首款128通道无液氦脑磁图 可实现3-5毫米脑功能区定位精度
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观点摘要
神外前沿：在北京航空航天大学（简称北航）的科研方向？
丁铭：我在北航主要从事量子精密磁场测量的底层技术研究工作。当底层技术突破以后，应用在生物医疗上，比如无液氦脑磁图仪、无液氦心磁图仪，其实都是基于量子精密磁场测量的底层技术进行集成开发的。
以我们目前做的无液氦脑磁图仪为例，就是应用了128通道的量子精密磁场探测传感器，来探测大脑发出的生物磁场信号。
神外前沿：临床专家对脑磁图有哪些需求，有哪些反馈？
丁铭：脑部成像，不管是结构成像还是功能成像，技术相比其他的器官成像来看还是少的，尤其功能成像。其实有很多疾病在结构影像上，看起来好像是阴性的。例如比较典型的磁共振阴性癫痫，这类病人虽然有非常明显的放电信号，但磁共振检查却看起来没有问题，这时就需要用功能成像的方法去解决像癫痫病灶定位的问题，这是临床获得的实际反馈，也是我们研发此款无液氦脑磁图的初衷。
神外前沿：功能磁共振也有功能成像，脑磁图功能成像有何特点和不同呢？
丁铭：功能磁共振（fMRI）是通过血红蛋白含氧量的变化，通过BOLD效应去探测，观测代谢异常区域的血红蛋白含氧量变化情况。其应用场景，如脑功能区定位，就是反映在某个区域对应功能在使用的时候，该区域含氧量发生的变化，比如耗氧量变多了，这就是其功能的区域。
但由于fMRI是通过血流量和耗氧量的变化间接反应脑功能情况，时间分辨率在数秒量级，因此无法即刻反应脑功能的变化。
而包括无液氦脑磁图在内所有脑磁图仪，由于是直接反映大脑神经元放电产生的磁场信号，因此比fMRI具有更高的时间分辨率，在毫秒量级。
神外前沿：据我们了解，大脑中虽然有磁信号，但是特别微弱，无液氦脑磁图如何精准识别呢？
丁铭：其实有几个方面，但最核心的还是底层量子精密磁场测量技术，刚才您提到的大脑神经元放电产生的磁场信号特别弱，大约为地球磁场十亿分之一，100fT量级，特别小。
从测量学角度来讲，一般测量仪器的灵敏度需要达到被测量的十分之一，也就是常说的“1:10规则”。因此如果要测量100fT的信号，需要能够探测到10fT量级的微弱磁场的探测器才能够去准确的探测它。
过去只有一种方法可以测量，叫做超导量子干涉仪技术，这种技术在无液氦脑磁图出现之前，临床和科研上所有的脑磁图都是基于超导量子干涉仪技术做的，能够探测到10fT的信号。有了10fT量子磁场探测器以后，才能够去探测100fT的大脑磁场信号。
现在我们用一种新型无液氦的技术方法，叫做原子磁力计，用这种方法可以探测10fT甚至更小的信号。
但是测量的时候还有一个问题，就是日常工作环境中，有非常多的电磁环境干扰，像电视，电灯，所有的用电器件其实都有电磁干扰，而有了一个非常灵敏的传感器以后，怎么样能够在特别嘈杂的环境里，还能探测到微弱的脑磁信号，这也是个关键问题。
也就是怎么样营造在医院一个复杂的电磁环境中，还能够探测得到微弱磁场信号的环境，在工程里这个叫做磁场屏蔽系统。
我们现在基于主动磁场补偿技术和被动磁场屏蔽技术，搭建了一个非常干净的近零磁环境，能够扛得住医院复杂的电磁环境干扰，其中不但包括常见的电梯、CT、磁共振等医院常见的设备，也包括地铁、输电网等城市常见电磁干扰源。这就保证了用一个非常灵敏的传感器，还能在复杂的电磁环境里去捕捉到微弱的脑磁信号。
其实这是能够探测到微弱脑磁信号的两大关键。
神外前沿：对医院的施工和安装有什么特别要求吗？
丁铭：我们的设备其实做到对医院的环境不再挑剔了，比如在天坛医院里，隔壁有数台1.5T-3.0T的磁共振，在这种强大的磁场干扰情况下，我们的设备都还可以正常的应用。
因为有主动磁场补偿系统，像降噪耳机一样，我们能够实时监测外面的磁场信息，然后施加反向的磁场去抵消它，这在其它的设备中目前还是做不到的。
神外前沿：目前定位精度可以达到几毫米？
丁铭：在病灶的定位上，以癫痫和脑功能区定位为例，其中癫痫病灶的定位我们和sEEG比较；脑功能区定位，是和其金标准—术中皮质电刺激(DCS)进行对比的。我们的脑磁图目前能做到3~5毫米的定位精度。
无液氦脑磁图能够保证3~5毫米定位精度的原因：第一是核心传感器的灵敏度，只有达到像10fT量级的灵敏度，同时所有传感器的一致性非常好，才能够捕捉到真实的信号，然后才能够溯源定位。
第二是要传感器的数目足够多，像国外目前在科研上用的大部分在50通道左右，其实50通道做精准定位时就相对困难，可能只能定个大概。而我们目前最高能够做到128通道，甚至在科研上我们现在有256通道的无液氦脑磁图。因为通道越多，也就是传感器布得越密，其的定位精度才更准确，如同64排和128排CT道理一样。
神外前沿：目前临床专家主要的应用进展？
丁铭：第一大场景是刚才提到癫痫病灶的定位，在癫痫手术之前做术前评估用，这也是过去脑磁图最明确的应用场景之一，同时我们利用完备的硬件和高级的算法，可以对发作期癫痫、高频癫痫信号、癫痫网络等前沿方向进行探索。
第二是脑功能区定位，我们目前开展的工作主要是针对脑肿瘤术前的脑功能定位，也就是要精确的知道哪些功能区控制运动、听觉、视觉、体感、语言等等，然后在手术的时候有利于术者规划手术路径，精确避开重要的功能区。其实在这个领域里，所有的神经外科手术都可以用到脑磁图的定位。
第三是头痛一类神经内科疾病，我们现在也比较关注像偏头痛这些拓展类的研究，因为偏头痛成病的机理机制，包括用药以后大脑网络到底有什么样的变化，目前都不是十分明确。
第四是认知功能障碍，像我们现在非常关注阿尔茨海默病（AD）早期的重要表现。其实不管是阿尔茨海默病还是包括肿瘤等在内的其他疾病，如肿瘤患者也有很大一部分有认知功能障碍的，我们在认知功能障碍上做了非常多的研究，也正在参与MIND-CHINA老年痴呆多模态干预项目，希望能在阿尔茨海默病的早期，发现脑磁的生物学标志物，从而实现早期诊断，这样可以达到预防和提前干预的效果。
神外前沿：脑磁图与功能磁共振对脑功能定位的准确度对比？
丁铭：目前我们做了30例左右，无液氦脑磁图看起来更准确。
神外前沿：无液氦脑磁图的扫描时长？是否需要图像后处理？
丁铭：无液氦脑磁图可以做静息态，也可以做任务态。如果做任务态，其实无液氦脑磁图跟功能磁共振还是原来的脑磁图都是类似的流程，但是我们的检测时间会更快，大概一个功能区就是10分钟左右。
无液氦脑磁图也需要一定的后处理时间，但是我们现在做得相对比较智能化了，后处理的时间非常快，和上一代脑磁图相比，我们的软件做出了大幅度的简化和智能化的改进，这样使临床医生或者技师做后续数据处理时会更加的简单。
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