心脑血管检测

成果名称 心脑血管虚拟内窥镜的研发培育 单位名称 北京师范大学 联系人 常崇艳 联系邮箱 changcy@bnu.edu.cn 成果成熟度 □研发阶段 &radic 原理样机 □通过小试 □通过中试 □可以量产 合作方式 □技术转让 □技术入股 &radic 合作开发 □其他 成果简介： 心脑血管可视化研究是针对人体心脑血管的计算机应用技术。通过对数字化的医学影像的智能处理、数据分析、三维建模、数据可视化，虚拟现实，以充分呈现人体血管的形态特征，方便医生洞察医学数据，应用于医学教学、科研、临床，达到对疾病诊断、病灶检测、辅助治疗的作用。 心脑血管是人体血管中的最典型的代表，心脑血管疾病是当前人类健康的最重要疾病。结合信息科学与生命科学特点，运用计算机最新科技方法对血管的研究，是近年来该领域的研究热点。该领域的研究进展和技术突破，对临床医学、生命科学、病症统计学及预防学等领域的发展将带来重要的影响。由于心脑血管在人体组织中所占比例低，血管成像灰度不均匀，形态复杂且个体差异性大，细小血管间多存在缠绕和遮挡，使得对心脑血管的可视化成为计算机图形学领域中的重要问题。本项研究针对心脑血管可视化应用领域，主要解决的问题和关键技术包括： 1. 从医学影像中血管信息的提取技术； 2. 医学体数据中血管的三维可视化实时绘制技术 3. 血管数据的三维建模技术、 4. 血管的虚拟内窥技术 5. 三维血管数据的测量技术 6. 异常血管的疾病监测技术 本项研究应用计算机图形学和人工智能技术，重点突破在基于医学图像序列的影像数据精细分割、大规模体数据的实时精细绘制、复杂血管模型的建模，针对脑血管的分层三维可视化、血管的虚拟内窥等关键技术瓶颈，改进了现有的可视化关键算法，开发了系列软件平台，形成了&ldquo 四层两库&rdquo 的体系结构。本项研究工作得到了６项国家和北京市的科技计划支持，共发表三大检索论文28篇。 该项研究运用信息技术对医学影像的智能处理，更真实的呈现了人体血管的三维形态特征。研究成果可有效的应用于医学教学、科研、临床，其研究意义重大，应用前景广阔。 应用前景： 医学影像检查的结论通常来自图像后处理医生提供的图像和报告，如果所获得的图像质量非常高，图像后处理难度非常小，那么诊断结论就相对简单、诊断准确性也将很高。然而由于患者心率、造影剂的注射参数、扫描参数、伪影以及对比强度不佳等客观因素以及图像重建水平等主管因素的影像往往使得医学影像检查的结论存在一定的误差，因此亟待通过应用高性能、高质量的医学影像工作站进一步提高图像重建的准确程度，为伪影的甄别和处理和病变组织的识别和判断奠定基础。 在实际工作中，大多数情况下主治医生并不能到影像工作科室去实际完成影像的重建，其诊断还是要依赖于重建医生所提供的图像。重建医生在重建过程中所出现的判断错误，主治医生很难识别，即使有所怀疑，也需要对原始的切片图像进行观察和简单处理以后才能确定。但是，在很多医院，受PACS系统承载能力的限制，不可能把大量的切片图像全都上传到图像服务器，这就给整个诊断过程带来了困难，并将对医学影像工作站的使用造成巨大的负载压力。要解决这样的冲突，就必须增加工作站的数量，然而设备厂商提供的工作站价格十分昂贵，并且一般不为用户提供相应软件开发和的接口个性化服务功能，一定程度影响了工作站的推广和使用。因此具有价格便宜、具有满足用户个性化需要、兼容各类影像数据和工作站、功能完整、重建质量高、操作简单、具有可编程开放接口等特点的医学影像工作站将成为未来的发展方向。 知识产权及项目获奖情况： 本项目在多项关键技术中，具有自主知识产权的研究成果 专利与软著情况，形成6项软件著作权，1项专利 6项软件著作权 1、 脑血管医学图像分割系统2、 脑血管分割及医学虚拟内窥检查系统 3、 基于PSO的统计脑血管分割系统 4、 脑血管三维可视化虚拟融合系统 5、 心脑血管数据库管理系统 6、 三维脑血管模型动态压缩处理 1项专利 1、 基于球B样条曲线的三维血管模型构造方法 10项国家、部委、省、市专项计划支持 1、 国家自然科学基金《基于医学图像的数据挖掘技术研究》（60372072）已结题 2、 北京自然科学基金重点项目《虚拟环境中脑血管可视化、导航和监测技术》（4081002）已验收 3、 首都科技条件平台项目《心脑血管虚拟内窥镜的研发培育》(Z131110000613062) 已验收 4、 国家自然科学基金项目《盘B样条和球B样条造型的理论及其应用》(61170170) 在研 5、 国家自然科学基金项目《脑血管兴趣区域提取关键技术研究》(61271366) 在研 6、 国自然面上基金《基于CTA影像数据的3D冠脉狭窄自动检测及其量化评估研究》(61472042) 在研 7、 国自然青基《基于球B样条的Willis环建模、分割及定位关键技术研究》(60803082）已结题 8、 国自然青基《基于统计分割的脑血管三维模型重构研究》(61003134) 已结题 9、 国家重点实验室项目《交互式实时虚拟内窥镜算法研究》（SYSKF0107 》已结题 10、 博士后基金《三维血管的重构技术研究》已结题

如今，心力衰竭（HF）的治疗依然是一个世界性难题。据统计，全球范围有超 3800 万名患者，严重威胁人类生命健康。心力衰竭并非是一种独立的疾病，而是一种临床综合征，几乎包括心脏病在内的所有心血管疾病最终都可能会发展为心力衰竭。心脏肥大是心力衰竭进展过程中的早期病理症状，也是心力衰竭出现的重要临床提示和危险因素。先前研究发现，肠道菌群代谢物能够影响多种疾病的进程，然而，菌群代谢物在心脏肥大和心力衰竭进程中的作用仍有待探究。因此，从代谢组学的角度探究心脏肥大和心力衰竭病理学过程，对于预防心脏肥大，以及发现心力衰竭发生发展机制和治疗靶点具有重要意义。近期，北京大学心血管研究所及团队研究发现，一种名为三甲基 - 5 - 氨基戊酸（TMAVA）的肠道菌群代谢物，通过丁基甜菜碱羟化酶（BBOX）抑制内源性肉碱的合成，最终加重高脂饮食诱导的心脏肥大，揭示出 TMAVA、BBOX 可能是肠道菌群干预治疗心脏肥大的潜在靶点。目前，相关研究以 “”（肠道微生物群产生三甲基 - 5 - 氨基戊酸减少脂肪酸氧化并加速心脏肥大）为题发表于 Nature Communications 上。“在心血管领域，心力衰竭目前仍难以治愈，这种病症可用的药物很少。另外，全球层面关于肠道菌群代谢和心力衰竭关系的研究较少，如果能通过肠道菌群来治疗心脏肥大及心力衰竭，对于广大患者而言是巨大的福音，其产业化前景也非常广阔。” 教授告诉笔者。在北京师范大学化学系本科毕业后进入中国科学院感光化学所工作。2000 年，他赴美国克利夫兰医院（Cleveland Clinic）攻读临床生物分析化学博士，师从美国国家医学院院士 教授。2007 年，他作为 “985” 引进人才进入北京大学心血管所，先后担任副教授、博士生导师、研究室主任等职务。目前，是北京大学心血管研究所副所长，教育部重点实验室主任助理，曾主持国自然血管重大专项培育基金等 7 项国自然基金，共发表 SCI 文章 114 篇，其中 81 篇 SCI 责任作者，SCI 引用 4030 次，拥有 3 项中国发明专利（第一发明人）。北京大学心血管研究所郑乐民菌群代谢物 TMAVA 具有促进心脏肥大的作用菌群代谢物 TMAVA 具有促进心脏肥大的作用在这项研究中，团队通过对 7 年间随访的 1647 名心力衰竭患者的血浆进行 TMAVA 靶向代谢组学检测，他们发现随着 TMAVA 水平的升高，心脏移植和患者死亡的发生率逐渐升高。接下来，研究人员通过小鼠模型探索 TMAVA 在心脏肥大中的作用与机制。他们在高脂喂食小鼠的基础上进行 TMAVA 干预，发现其心脏肥大和心功能障碍进一步加重，同时还伴随心脏脂质沉积，以及血浆甘油三脂、脂肪酸水平的增加。在高脂喂食小鼠 12 周后，通过脂质组学分析，他们发现小鼠心脏脂质代谢谱的改变，中链和长链脂肪酸在心脏中显着增加。机制层面，研究团队发现 TMAVA 不仅通过 BBOX 抑制内源性肉碱的合成，同时通过肉碱 / 有机阳离子转运体抑制肉碱的摄取，导致血浆和心脏组织中肉碱缺乏，并抑制脂肪酸氧化，进而加重高脂饮食诱导的心脏脂质堆积，导致线粒体结构和功能紊乱。随后，研究团队对 BBOX 敲除小鼠进行高脂饮食，发现小鼠血浆和心脏组织中肉碱水平下降，心脏存在异常的脂质堆积，同时表现出与 TMAVA 刺激相似的心脏肥大表型，这意味着 BBOX 通过抑制肉碱的合成加重心脏肥大，外源性肉碱补充剂可逆转 TMAVA 诱导的心脏肥大。总的来说，这项研究发现了菌群代谢物 TMAVA 通过抑制脂肪酸氧化加重高脂饮食诱导的心脏肥大，揭示了肠道菌群来源的 TMAVA 通过抑制肉碱合成和脂肪酸氧化降低，是心脏肥大发展的关键决定因素，并且TMAVA、BBOX 可能是潜在治疗靶点。已联合创办公司进行技术转化对于将这项研究应用在临床还需要解决的问题，总结了两点：其一，质谱代谢诊断。“所谓诊断方法，就是确定何种人群适合采用这种治疗方式。现阶段，我们正在临床方面建立质谱代谢诊断方法，即把质谱技术作为一种诊断方法应用到心力衰竭领域。” 他解释说。其二，菌群干预治疗。“很多研究已经证实，菌群对于很多疾病的治疗有所帮助，但是菌群治疗还没能进入到心力衰竭和脑卒中等患者基数最为庞大的疾病领域。目前，我们正期待通过合成生物学的方法，对菌群通过基因编辑进行改造，以期能够治疗心力衰竭，这在心力衰竭治疗领域非常具有创新性，应用前景较为广阔。” 他指出。“一方面是诊断，即质谱代谢诊断；一方面是治疗，即菌群干预治疗。这两个方面希望在将来都有机会对接临床应用。” 总结道。关于下一步的研究计划，表示，“针对刚刚提到的诊断和治疗两个层面，我们从 2016 年便开始寻求进行产业合作，就目前而言，诊断层面的产业化正在进行中，而治疗层面还没有开始。我们希望能够通过融资来进一步加速进程，也期望有产业合作来共同推动对于心力衰竭的菌群干预治疗。此外，我们也计划将来成立专门的团队来更加深入地研究菌群对心力衰竭的治疗策略。”第一，诊断方面，现阶段心力衰竭现行的检测方法主要是蛋白诊断。“而这正是这篇研究论文创新性的关键所在，揭示出除了蛋白诊断之外还可以用代谢来诊断心力衰竭，这对产业具有很大的推动作用。” 指出。传统的蛋白诊断基本都采用免疫法，即通过抗体和抗原结合的方法。“而我们揭示的方法是通过质谱代谢，借助分子量以及分子结构进行诊断，所以这种方法的特异性在将来有可能超越免疫法，准确率也可能高出很多。” 他表示。“目前，我们在诊断层面已经初具规模，第一，有科研团队；第二，有合作公司。我们已经和联合开发了一些质谱代谢诊断的方法，同时也在申报相关技术专利。” 说道，在他看来，质谱代谢诊断产业在心血管疾病领域中至关重要。“所以，我们需要继续吸引新的融资，以期能够让质谱代谢诊断快速地实现标准化。” 他补充说。第二，治疗方面，目前针对心力衰竭治疗的研究主要围绕细胞受体。据介绍，导致心力衰竭的机理有很多种，其中，最大的问题是线粒体障碍。“线粒体和能量代谢直接影响心力衰竭，而肠道菌群和线粒体之间是有关联的，所以，肠道菌群代谢物会影响到心脏的线粒体。”在他看来，菌群干预治疗将来会是小分子药物的一个有益补充。“我们接下来希望成立独立的团队来开展菌群干预治疗，这比诊断更为复杂，而且投资量也更大，所以我们想成立新的平台进行菌群的产业转化。” 指出。“综合来讲，诊断需要有治疗的配合，所以这两方面都必不可少，这也是我们想要更多投入的目的：一方面，把质谱代谢诊断推进到心力衰竭领域，目前我们已经开展了一些临床实验；另一方面，用于成立新的平台，通过菌群干预治疗包括心力衰竭与中风在内的各种心血管疾病。” 说道。据介绍，去年团队与联合成立了生物技术平台 —— ，专注于开发类器官平台，比如类心脏、类血管，以及癌症类器官等。对比细胞，类器官更能展示细胞所处的状态与细胞间的相互作用，更能模拟动物。“我们有一些需要在动物身上做的研究现在可以通过类器官实现了。” 他说道，“比如，在研究心力衰竭的时候，通过机器人来控制类心脏器官非常便捷，可以直接通过类器官来进行筛选药物对心脏的毒性。”除了心脑血管疾病，衰老以及代谢系统疾病都是世界性的研究课题，对于三者之间的关联，在看来，“衰老会直接引发心脑血管疾病，代谢系统疾病最终的死亡原因也大多是心脑血管疾病，所以，不论是衰老还是代谢最后都会归咎为心脑血管疾病。除此之外，衰老和器官衰老是两个概念，目前没办法来评估人体某个器官的寿命，我们希望未来能够通过蛋白组学、代谢组学技术来更客观地描述各个器官的寿命。”在看来，现阶段心脑血管疾病领域的代谢组学和蛋白组学实现产业化还需要较长的一段时间。“依照目前的状态，蛋白组学五年之内实现产业化非常难，第一，蛋白组学的定量还存在障碍；第二，蛋白组学的成本还相当的高；第三，蛋白组学较为依赖国外进口设备。” 他表示，“相较之下，代谢组学更有可能实现产业化，从而造福于病人。首先，定量准；其次，成本低；再次，越来越多的仪器公司，包括很多国内仪器公司都在研发用于诊断的质谱代谢仪器，如此一来可以打破欧美的垄断局面，实现质谱仪的本土化。”

记者16日获悉，深圳奥萨医药有限公司自主研制的一类创新药“依叶”，成功获得国家食品药品监督管理局的I类新药化学药品的批文，而该公司最新研发成功的一项预测心脑血管疾病发生的基因检测试剂盒，刚刚在今年3月获得批文，并在近日成功实现批量化生产。在深圳自主创新的“版图”上，又添一项重大科技创新成果。 　　记者获悉，奥萨医药研发团队经过多年自主研发的预防脑卒中发生的创新药物“依叶”，在去年成功实现量产的基础上，目前已累计形成6000多万元的销售收入，未来前景十分看好。奥萨高层昨日向记者透露，前不久，由奥萨研发团队努力研制的亚甲基四氢叶酸还原酶基因 677C/T 检测试剂盒，作为生物医学产业一种前沿的三类体外诊断试剂，已于今年3月获得注册和生产批文。在国内外患卒中、缺血性心脏病高发的背景下，该基因测试试剂盒基于领先的基因技术，通过基因试剂盒的简单检测，有助于早预测心脑血管疾病发生风险，早期干预，降低风险，未来市场前景巨大。