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医疗观察丨解密大脑活动,脑磁图引领脑科学研究新热点

时间:2023-09-18

本文由弗若斯特沙利文分析撰写。

关于弗若斯特沙利文

全球增长咨询公司,弗若斯特沙利文Frost amp; Sullivan,简称“沙利文”融合全球62年的咨询经验,25年来竭诚服务蓬勃发展的中国市场。近年来,沙利文报告被广泛引用于业内领先的A股、科创板等上市公司的招股文件、一级和二级市场研究报告及其他资本市场公示文件中。

人类一直致力于破解大脑功能的奥秘,而人脑由数百亿神经元相互连接构成,神经通路错综复杂,生命及认知科学研究面临巨大挑战。近年来,脑磁图Magnetoencephalography,MEG在脑科学领域应用获得持续关注。

MEG具有哪些特点?可以用于哪些领域?本文将从技术发展、应用价值、行业玩家等维度展开分析,解密这种反演脑功能的尖端技术。

一、脑磁技术大有可为,将成为辅助诊断脑科疾病的精兵利器

01脑成像技术多维发展,推动脑功能研究深入

大脑活动规律的研究依赖于各种观察大脑的仪器和成像技术。目前,主要的脑成像技术可以分为结构像技术和功能像技术两类。

结构像技术:指直接对大脑结构进行可视化、反映大脑解剖结构的成像技术。主要的结构像技术包括电子计算机断层扫描CT、磁共振成像MRI等。

功能像技术:通过测量大脑的脑电/脑磁、血流、氧耗、神经递质等信息来间接观测大脑功能的技术。功能像技术包括脑电图EEG、脑磁图MEG、正电子发射成像PET、光子发射型计算机断层成像SPET、功能磁共振成像fMRI、功能性近红外光谱成像fNIRS等。

02脑成像技术各有千秋,临床应用各有侧重

不同脑成像技术各具特点,CT、MRI等结构像技术多用于诊断肿瘤、脑血管病变等大脑结构发生改变的疾病;功能像技术如EEG在癫痫等神经疾病领域具有重要作用,PET可敏锐识别未占位的恶性肿瘤,fMRI和fNIRS多被应用于大脑功能定位和认知心理学等领域。

MEG作为一种功能像技术,通过在颅外检测脑部磁场信号,可识别定位大脑的视觉、听觉、躯体感觉和运动皮质区域,判断大脑各脑区功能连接的强弱及模式。MEG兼具高时间分辨率0.001s和空间分辨率2-5mm,并对人体无创、无辐射,是现阶段脑成像领域最尖端的技术之一。

图:不同脑成像技术特点概览
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资料来源:公开信息,沙利文分析

二、脑磁图在神经、精神等疾病领域有独特应用优势,临床及科研应用领域广阔,市场潜力不可小觑

01脑磁图与其他脑成像技术互补,提升疾病诊断精准性

MEG作为一种新兴的脑成像技术,主要临床应用领域为神经系统疾病、精神疾病等场景。MEG凭借其优秀的时间分辨率及空间分辨率,在这些临床应用场景中具有不可替代的独特优势,更可与其他脑成像技术配合使用,进一步提升诊疗的精准性。

1MEG在神经系统疾病领域的应用

MEG凭借其成像特点,在癫痫、脑肿瘤、脑卒中等神经系统疾病领域具有重要应用价值,尤其在致痫灶定位上有重要作用。《癫痫外科术前评估中国专家共识2022版》指出我国癫痫患病率约为0.7,癫痫患者群体庞大,约有900万,其中约200-300万为药物难治性癫痫。目前,药物难治性癫痫的治疗手段包括外科手术、生酮饮食、神经调控等,5-10的药物难治性癫痫患者可通过外科手术达到癫痫缓解甚至终止发作的疗效。

颅内脑电图iEEG是目前高效定位致痫区及评估致痫区与功能区关系的有效手段,但具有侵入性的局限。MEG可精准检测和定位癫痫病灶并且无创,在癫痫外科手术治疗前定位、神经调控靶点确定中具有重要意义。Velmurugan[1]等在Brain杂志发表研究指出MEG在高频振荡源80-200Hz与假定的致痫区、切除皮层的符合率分别为75.0和78.8,优于其他频段和标准偶极子拟合方法。Cao[2]等在Nature Communications上发表论文指出使用MEG结合新颖的动态网络模型,可重建出临床广泛接受的虚拟颅内电极信号,未来有望减少甚至取代颅内有创电极植入对致痫灶进行评估。

《癫痫外科术前评估中国专家共识2022版》指出MEG具有优异的时间和空间分辨率,可通过逆运算并求解出点活动来源的位置、强度和方向,对语言、运动、感觉、视觉和听觉等功能进行定位,可与MRI融合形成磁源性成像,作为复杂致痫区定位检查技术的一项有意义的补充。

2MEG在精神疾病领域的应用

MEG也可应用于抑郁症、精神分裂症、自闭症谱系障碍等精神性疾病的辅助诊断。在MEG帮助下,可通过识别患者额叶前区、边缘网格区的信号变化来判断抑郁症的严重程度,Nugent[3]等人已使用MEG来检测重症抑郁症患者在使用氯胺酮前、后静息状态情况,以评估治疗抑郁症的效果。此外,MEG可通过识别精神分裂症患者的神经网络和区域的异常信号,辅助精神分裂症诊断;MEG可揭示异常听觉、视觉及情感发生时的大脑活动,用于自闭症诊断及分类。

02解密脑功能,脑磁图助力脑科学研究发展

1MEG在认知科学研究中的应用

MEG的时间分辨率为毫秒级,可以追踪快速神经活动,是语言、感知等认知神经科学研究的重要工具。北京大学高家红教授团队[4]基于以往对脑神经活动研究基础,将MEG与独特的语言刺激范式结合来区分脑皮质处理单词、短语和句子的位点与组合,发现颞上回参与了三种语言水平的处理,其它脑区则通过不同组合形式参与每个语言水平编码,其中右侧运动皮层的神经活动只跟随有清晰声学边界的单音节词的节奏,而左侧前颞叶和左侧额下回则选择性地参与短语或句子的加工。该研究借助MEG成功构建了语言结构加工图谱,为人类进一步研究大脑认知功能提供重要工具。

2MEG在脑机接口领域的应用

MEG具有优异的信噪比和溯源定位能力。北京大学[5]运用脑磁信号的可解码性,追踪人的视觉加工,仅通过对看到图片前半秒的脑磁数据进行解码,发现不同类型的图片在大脑中的表征呈现出大范围分离的明显趋势,证明了MEG对于构建高性能脑机接口的意义。新一代原子磁强计脑磁图OPM-MEG技术的性能接近植入式脑机接口,有望成为未来脑机接口的主要支持技术。

03脑磁图的市场需求广阔,新一代脑磁图引领新潮

目前,MEG已在临床和科研领域有了初步探索应用,但临床应用仍以癫痫辅助诊断为主。MEG可广泛应用于脑血管疾病、创伤后脑功能评估、精神疾病和心理障碍等临床领域,对于认知科学也有重要价值。OPM技术出现后,MEG的探测性能提升,安装使用更加灵活,成本也大幅降低,将在更多的医疗、科研等机构推广使用,为更多类型的神经、精神系统疾病患者提供诊断支持,为更深层次的认知学研究、脑机接口等前沿领域提供技术支持,应用前景广阔。

三、打开脑功能黑匣子,原子磁强计脑磁图将成明日之星

01脑磁技术迭代发展,OPM技术炙手可热

大脑神经电流的传播会产生磁场,不同脑组织的磁导率几乎相同,脑磁成为探测脑功能的理想信号。但是,脑磁场在颅外的强度仅在10-100fT量级,约为地球磁场的亿分之一,难以探测。1968年,美国物理学家Cohen利用多匝感应线圈在特殊建造的磁屏蔽室里首次探测到人脑α波信号。1972年,约瑟夫森节超导量子干涉仪SQUID技术诞生并可高效探测脑磁信号,开启了MEG商业化之路。2002年,普林斯顿大学Romalis团队首次实现原子的无自旋交换弛豫SERF态,并于2003年建造了可进行fT级别灵敏度测量的原子磁强计OPM系统,常温脑磁探测成为现实。

图:脑磁技术发展关键事件
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资料来源:文献检索[6-10],沙利文分析

02超导量子干涉仪SQUID已成功商业化,但普及受限

超导量子干涉仪SQUID以超导约瑟夫森结效应和磁通量子化为技术基础,是一种可将磁通转化为电压的高灵敏度磁通探测器。在实验室理想条件下,SQUID-MEG的灵敏度可达可达1fT/√Hz,商用SQUID-MEG灵敏度多在2-3fT/√Hz。目前,SQUID-MEG在临床和科研领域已有应用,多被医疗机构用于癫痫诊断。但国内SQUID-MEG依赖进口,数量约20台,均在国内高校、科研机构或三甲医院,渗透率较低。这是由于目前SQUID-MEG产品存在价格昂贵约3.000万/台,体积庞大,需液氦维持超导状态、使用成本高,屏蔽室造价昂贵且占地面积大,灵活性差等问题。

图:SQUID-MEG推广挑战
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资料来源:文献检索[6],沙利文分析

03新一代脑磁图优势显著,将加快MEG普及

OPM-MEG是一种利用光与原子的相互作用来探测磁场的技术。基于SERF理论,当一束圆偏振泵浦光照射碱金属原子时,碱金属原子发生能级跃迁,产生自旋极化;在外界弱磁场作用下,碱金属原子做拉莫尔进动而产生一个进动偏角,其大小在一定范围内与磁场强度成正比;当另外一束偏振探测光垂直于泵浦光照射进来,碱金属原子的偏振方向会发生微小偏转,通过探测偏振角的变化可以直接反应磁场的大小。理论计算,无自旋交换弛豫原子磁强计装置灵敏度可达0.01fT/√Hz甚至更低;实验室中,已取得0.16fT/√Hz的灵敏度,是人类目前掌握的最灵敏的磁探测物理技术。

图:SQUID与OPM技术比较
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来源:文献检索[6],沙利文分析

在SERF理论支持下,OPM-MEG技术快速发展。2010年,Johnson等使用基于Rb碱金属原子的SERF磁力计探测大脑磁场,并与基于SQUID商用脑磁系统进行对比,证明了OPM-MEG的有效性。2017年,英国诺丁汉大学Sir Peter Mansfield影像中心首次使用常温原子磁强计成功记录脑磁信号和空间溯源定位。随着对OPM-MEG的研究持续深入,科学家们通过缩小原子蒸气室体积、采用微机电技术、元件装置集成等方式,多维度研发体积更小的探测器,目前OPM-MEG探测器横截面积已缩小至硬币大小。探测器体积的缩小进一步推动多通道集成OPM-MEG研发,目前已开发出过百通道的OPM-MEG产品,但目前全球尚无基于OPM技术的临床用脑磁图上市。国内已有心磁图临床用产品获批上市,这是由于心脏磁场强度为1.000-10.000fT量级,探测难度小于脑磁场。

图:OPM-MEG优势分析
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来源:公开信息,沙利文分析

OPM-MEG研究持续升温,国外的普林斯顿大学、诺丁汉大学等,国内的北京大学、中国科学院、北京航空航天大学等高校和科研机构纷纷投身该领域。OPM-MEG不仅探测器具有高技术壁垒,磁屏蔽装置、磁反演等相关技术也是开发OPM-MEG产品过程中必须克服的挑战。同时,由于产品研发不同于实验室研究,产业化瓶颈高,兼具探测器、磁屏蔽装置、磁反演技术的研究团队在产品商业化进程中更具优势。

四、脑磁技术在国家政策推动下,未来产品升级、渗透率进一步提升

01国家将脑磁技术列入重点发展领域,鼓励建立影像中心

MEG作为脑功能研究的重要工具,获得了国家的高度重视。

02脑磁图升级换代,未来新型脑磁图性能更优

公开信息显示,全球约有150~200台MEG。我国在2000年后陆续引进多台MEG,但国内的MEG存在使用时间过长、产品老旧的情况,如广东三九脑科医院的MEG使用已超20年,南京脑科医院的MEG设备使用时间也已近20年,而一般建议大型医疗设备服役10年后应换新。目前,国内在役的MEG主要为SQUID-MEG,但近年我国已有自主研发的OPM-MEG科研机上市。未来,随着OPM-MEG技术进一步成熟,MEG将向着小型化、个体化、穿戴化、场地灵活化发展,安装及维护成本将持续降低;OPM-MEG将实现更高的灵敏度,提供更高质量的数据。新一代脑磁图凭借其优势,将开辟脑磁测量新时代。

五、国内外企业争相布局脑磁图,新一代医用脑磁图指日可待

01 SQUID-MEG竞争格局

SQUID-MEG技术成熟,已有306通道产品问世,可实现全脑覆盖。布局SQUID-MEG的国外公司主要包括MEGIN、Compumedics、CTF MEG等,其产品各有特点。

图:主要SQUID-MEG产品分析
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资料来源:公司官网,沙利文分析

MEGIN:MEGIN在脑磁探测技术领域拥有丰富的经验。公司瞄准癫痫市场,其产品TRIUX neo可无创定位大脑内癫痫活动区域,与其他脑成像技术配合可用于神经外科。公司产品Elekta Neuromag TRIUX是国内唯一获NMPA注册证的脑磁产品注册证编号:国械注进20162210041。MEGIN曾被Elekta收购,又于2018年被拆分出售给Croton Healthcare。

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TRIUX neo

Compumedics:Compumedics成立于1985年,是全球领先的电磁源定位、多模态神经成像、高密度EEG及fMRI技术提供商。公司SQUID-MEG产品Orion LifeSpan MEG的核心专利技术为双弛豫振荡超导量子干涉探测器DROS SQUID,信噪比优于传统SQUID探测器,已获FDA、KFDA批准用于临床。

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Orion LifeSpan MEG

CTF MEG:CTF MEG公司于1970年成立,2009年CTF MEG收购4D Neuroimaging公司,2014年研发出275通道的SQUID-MEG产品cMEG,并于2019年推出临床友好型cMEG。cMEG运行稳定,探测器密度高,电子元件高带宽、高转换速率、高采样率,数据储存速度快。

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cMEG

02 OPM-MEG竞争格局

根据公开信息,多家国内外公司已布局OPM-MEG赛道,包括Cerca、FieldLine、昆迈医疗、磁波智能、中科知影等。同时,美国QuSpin公司作为OPM探测器研发企业,其新一代OPM技术探测器产品QZFM Gen-3性能优越,灵敏度7-10fT/√Hz,大小约2cm²,被Cerca、磁波智能等OPM-MEG研发公司所使用。OPM作为一种尖端磁场探测技术,可用于军事、航空等敏感领域,过度依赖国外研发的探测器存在被制裁的隐患。目前,我国已有企业采用自研OPM探测器进行MEG研发,全设备自研模式自主可控,可有效规避风险。

Cerca:Cerca由诺丁汉大学孵化,为诺奖实验室Peter Mansfield影像中心的转化公司。Cerca使用QuSpin公司的探测器开发了全球首个基于OPM技术的商业化、全集成、头戴式MEG科研用机。该设备可测量头皮周围50个位置的磁场,实现大脑全覆盖,并可在受试者移动时探测,可供成人和儿童佩戴使用,但该设备仍需在1.3m1.3m的磁屏蔽室使用。

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Cerca OPM-MEG

FieldLine:FieldLine上市产品HEDscan系统是一种基于OPM探测器技术、非侵入式、可穿戴的MEG设备。该设备借助放置在头部的自研小型量子探测器灵敏度15fT/√Hz,横截面约2cm²,可高保真记录和映射神经活动;仅需借助磁屏蔽筒即可在任何医疗机构的任何房间使用;头盔轻质、穿戴性强,适合所有年龄段和头部尺寸的人群。

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HEDscan

昆迈医疗:昆迈医疗是一家以量子操控与探测技术为核心,致力于开发生物功能磁成像设备的医疗科技企业。公司参与了多项国家重大科技基础设施与项目共建,并已完成国内首例科研装机,获得“国产高端设备科研示范应用”称号。自主研发的核心产品OPM-MEG突破了高灵敏度磁传感12-15fT/√Hz、开放式磁屏蔽、高精度磁反演等一系列技术,探测器横截面积约3cm²。昆迈医疗为国内首家也是目前唯一一家通过创新医疗器械审查的OPM-MEG研发企业,临床用机处于医疗器械注册审批中,有望成为全球首款上市的临床用OPM-MEG。

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昆迈医疗OPM-MEG
:右图为昆迈医疗参与共建的北京怀柔多模态跨尺度生物医学成像设施

磁波智能:磁波智能是一家专注研发磁波诊疗技术的科技公司,团队成员在量子传感、人体弱信号检测等方面有着丰富经验。公司使用自研超灵敏磁传感器MagneticWave或QuSpin探测器产品,搭配高性能磁屏蔽筒,可提供科研定制服务。同时,公司代销QuSpin、FieldLine、Twinleaf的磁传感器。

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磁波智能自研磁屏蔽设备

中科知影:中科知影成立于2019年,由中国科学院生物物理研究所孵化。中科知影致力于进行新型脑磁图等生物弱磁检测设备的研发、生产和服务。公司在脑磁图及零场弱磁检测技术领域获批多项国内外发明专利,并设立了北美技术研发中心。

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中科知影OPM-MEG

03国内脑磁图采购情况

过去,我国MEG高度依赖进口,根据中国政府采购网和中国国际招标网数据,2014年以来我国高校、科研机构及医疗机构共采购了18台MEG,12台为SQUID-MEG,6台为OPM-MEG,其中3台来自于昆迈医疗,而OPM-MEG采购价格远低于SQUID-MEG。不难发现,目前我国脑磁图市场主要被SQUID-MEG占据,而我国OPM-MEG商业化进程加速,据目前公开信息,昆迈医疗、磁波智能等已有科研机产品,昆迈医疗临床用机正在注册中,预计不久将会有OPM-MEG产品获批上市。

图:国内脑磁图采购情况分析2014-2023
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资料来源:政府官网,沙利文分析

未来,随着OPM-MEG科研用机商业化进一步加深及临床用机上市,OPM-MEG将为更多的医疗机构及脑科学研究机构使用,为神经、精神疾病患者带来诊断更佳和价格更优的选择,加速人类对于大脑的认知。OPM-MEG将凭借其技术和应用优势,在脑成像市场中占据重要地位。

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