醫(yī)療觀察丨解密大腦活動，腦磁圖引領腦科學研究新熱點

　　本文由弗若斯特沙利文分析撰寫。

　　關于弗若斯特沙利文

　　全球增長咨詢公司，弗若斯特沙利文(Frost & Sullivan，簡稱“沙利文”)融合全球62年的咨詢經(jīng)驗，25年來竭誠服務蓬勃發(fā)展的中國市場。近年來，沙利文報告被廣泛引用于業(yè)內領先的A股、科創(chuàng)板等上市公司的招股文件、一級和二級市場研究報告及其他資本市場公示文件中。

　　

　　人類一直致力于破解大腦功能的奧秘，而人腦由數(shù)百億神經(jīng)元相互連接構成，神經(jīng)通路錯綜復雜，生命及認知科學研究面臨巨大挑戰(zhàn)。近年來，腦磁圖(Magnetoencephalography，MEG)在腦科學領域應用獲得持續(xù)關注。

　　MEG具有哪些特點?可以用于哪些領域?本文將從技術發(fā)展、應用價值、行業(yè)玩家等維度展開分析，解密這種反演腦功能的尖端技術。

　　一、腦磁技術大有可為，將成為輔助診斷腦科疾病的精兵利器

　　01 腦成像技術多維發(fā)展，推動腦功能研究深入

　　大腦活動規(guī)律的研究依賴于各種觀察大腦的儀器和成像技術。目前，主要的腦成像技術可以分為結構像技術和功能像技術兩類。

　　結構像技術：指直接對大腦結構進行可視化、反映大腦解剖結構的成像技術。主要的結構像技術包括電子計算機斷層掃描(CT)、磁共振成像(MRI)等。

　　功能像技術：通過測量大腦的腦電/腦磁、血流、氧耗、神經(jīng)遞質等信息來間接觀測大腦功能的技術。功能像技術包括腦電圖(EEG)、腦磁圖(MEG)、正電子發(fā)射成像(PET)、光子發(fā)射型計算機斷層成像(SPET)、功能磁共振成像(fMRI)、功能性近紅外光譜成像(fNIRS)等。

　　02 腦成像技術各有千秋，臨床應用各有側重

　　不同腦成像技術各具特點，CT、MRI等結構像技術多用于診斷腫瘤、腦血管病變等大腦結構發(fā)生改變的疾病;功能像技術如EEG在癲癇等神經(jīng)疾病領域具有重要作用，PET可敏銳識別未占位的惡性腫瘤，fMRI和fNIRS多被應用于大腦功能定位和認知心理學等領域。

　　MEG作為一種功能像技術，通過在顱外檢測腦部磁場信號，可識別定位大腦的視覺、聽覺、軀體感覺和運動皮質區(qū)域，判斷大腦各腦區(qū)功能連接的強弱及模式。MEG兼具高時間分辨率(0.001s)和空間分辨率(2-5mm)，并對人體無創(chuàng)、無輻射，是現(xiàn)階段腦成像領域最尖端的技術之一。

　　圖：不同腦成像技術特點概覽

　　

　　資料來源：公開信息，沙利文分析

　　二、腦磁圖在神經(jīng)、精神等疾病領域有獨特應用優(yōu)勢，臨床及科研應用領域廣闊，市場潛力不可小覷

　　01 腦磁圖與其他腦成像技術互補，提升疾病診斷精準性

　　MEG作為一種新興的腦成像技術，主要臨床應用領域為神經(jīng)系統(tǒng)疾病、精神疾病等場景。MEG憑借其優(yōu)秀的時間分辨率及空間分辨率，在這些臨床應用場景中具有不可替代的獨特優(yōu)勢，更可與其他腦成像技術配合使用，進一步提升診療的精準性。

　　1)MEG在神經(jīng)系統(tǒng)疾病領域的應用

　　MEG憑借其成像特點，在癲癇、腦腫瘤、腦卒中等神經(jīng)系統(tǒng)疾病領域具有重要應用價值，尤其在致癇灶定位上有重要作用�！栋d癇外科術前評估中國專家共識(2022版)》指出我國癲癇患病率約為0.7%，癲癇患者群體龐大，約有900萬，其中約200-300萬為藥物難治性癲癇。目前，藥物難治性癲癇的治療手段包括外科手術、生酮飲食、神經(jīng)調控等，5%-10%的藥物難治性癲癇患者可通過外科手術達到癲癇緩解甚至終止發(fā)作的療效。

　　顱內腦電圖(iEEG)是目前高效定位致癇區(qū)及評估致癇區(qū)與功能區(qū)關系的有效手段，但具有侵入性的局限。MEG可精準檢測和定位癲癇病灶并且無創(chuàng)，在癲癇外科手術治療前定位、神經(jīng)調控靶點確定中具有重要意義。Velmurugan[1]等在Brain雜志發(fā)表研究指出MEG在高頻振蕩源(80-200Hz)與假定的致癇區(qū)、切除皮層的符合率分別為75.0%和78.8%，優(yōu)于其他頻段和標準偶極子擬合方法。Cao[2]等在Nature Communications上發(fā)表論文指出使用MEG結合新穎的動態(tài)網(wǎng)絡模型，可重建出臨床廣泛接受的虛擬顱內電極信號，未來有望減少甚至取代顱內有創(chuàng)電極植入對致癇灶進行評估。

　　《癲癇外科術前評估中國專家共識(2022版)》指出MEG具有優(yōu)異的時間和空間分辨率，可通過逆運算并求解出點活動來源的位置、強度和方向，對語言、運動、感覺、視覺和聽覺等功能進行定位，可與MRI融合形成磁源性成像，作為復雜致癇區(qū)定位檢查技術的一項有意義的補充。

　　2)MEG在精神疾病領域的應用

　　MEG也可應用于抑郁癥、精神分裂癥、自閉癥譜系障礙等精神性疾病的輔助診斷。在MEG幫助下，可通過識別患者額葉前區(qū)、邊緣網(wǎng)格區(qū)的信號變化來判斷抑郁癥的嚴重程度，Nugent[3]等人已使用MEG來檢測重癥抑郁癥患者在使用氯胺酮前、后靜息狀態(tài)情況，以評估治療抑郁癥的效果。此外，MEG可通過識別精神分裂癥患者的神經(jīng)網(wǎng)絡和區(qū)域的異常信號，輔助精神分裂癥診斷;MEG可揭示異常聽覺、視覺及情感發(fā)生時的大腦活動，用于自閉癥診斷及分類。

　　02 解密腦功能，腦磁圖助力腦科學研究發(fā)展

　　1)MEG在認知科學研究中的應用

　　MEG的時間分辨率為毫秒級，可以追蹤快速神經(jīng)活動，是語言、感知等認知神經(jīng)科學研究的重要工具。北京大學高家紅教授團隊[4]基于以往對腦神經(jīng)活動研究基礎，將MEG與獨特的語言刺激范式結合來區(qū)分腦皮質處理單詞、短語和句子的位點與組合，發(fā)現(xiàn)顳上回參與了三種語言水平的處理，其它腦區(qū)則通過不同組合形式參與每個語言水平編碼，其中右側運動皮層的神經(jīng)活動只跟隨有清晰聲學邊界的單音節(jié)詞的節(jié)奏，而左側前顳葉和左側額下回則選擇性地參與短語或句子的加工。該研究借助MEG成功構建了語言結構加工圖譜，為人類進一步研究大腦認知功能提供重要工具。

　　2)MEG在腦機接口領域的應用

　　MEG具有優(yōu)異的信噪比和溯源定位能力。北京大學[5]運用腦磁信號的可解碼性，追蹤人的視覺加工，僅通過對看到圖片前半秒的腦磁數(shù)據(jù)進行解碼，發(fā)現(xiàn)不同類型的圖片在大腦中的表征呈現(xiàn)出大范圍分離的明顯趨勢，證明了MEG對于構建高性能腦機接口的意義。新一代原子磁強計腦磁圖(OPM-MEG)技術的性能接近植入式腦機接口，有望成為未來腦機接口的主要支持技術。

　　03 腦磁圖的市場需求廣闊，新一代腦磁圖引領新潮

　　目前，MEG已在臨床和科研領域有了初步探索應用，但臨床應用仍以癲癇輔助診斷為主。MEG可廣泛應用于腦血管疾病、創(chuàng)傷后腦功能評估、精神疾病和心理障礙等臨床領域，對于認知科學也有重要價值。OPM技術出現(xiàn)后，MEG的探測性能提升，安裝使用更加靈活，成本也大幅降低，將在更多的醫(yī)療、科研等機構推廣使用，為更多類型的神經(jīng)、精神系統(tǒng)疾病患者提供診斷支持，為更深層次的認知學研究、腦機接口等前沿領域提供技術支持，應用前景廣闊。

　　三、打開腦功能黑匣子，原子磁強計腦磁圖將成明日之星

　　01 腦磁技術迭代發(fā)展，OPM技術炙手可熱

　　大腦神經(jīng)電流的傳播會產生磁場，不同腦組織的磁導率幾乎相同，腦磁成為探測腦功能的理想信號。但是，腦磁場在顱外的強度僅在10-100fT量級，約為地球磁場的億分之一，難以探測。1968年，美國物理學家Cohen利用多匝感應線圈在特殊建造的磁屏蔽室里首次探測到人腦α波信號。1972年，約瑟夫森節(jié)超導量子干涉儀(SQUID)技術誕生并可高效探測腦磁信號，開啟了MEG商業(yè)化之路。2002年，普林斯頓大學Romalis團隊首次實現(xiàn)原子的無自旋交換弛豫(SERF)態(tài)，并于2003年建造了可進行fT級別靈敏度測量的原子磁強計(OPM)系統(tǒng)，常溫腦磁探測成為現(xiàn)實。

　　圖：腦磁技術發(fā)展關鍵事件

　　

　　資料來源：文獻檢索[6-10]，沙利文分析

　　02 超導量子干涉儀SQUID已成功商業(yè)化，但普及受限

　　超導量子干涉儀SQUID以超導約瑟夫森結效應和磁通量子化為技術基礎，是一種可將磁通轉化為電壓的高靈敏度磁通探測器。在實驗室理想條件下，SQUID-MEG的靈敏度可達可達1fT/√Hz，商用SQUID-MEG靈敏度多在2-3fT/√Hz。目前，SQUID-MEG在臨床和科研領域已有應用，多被醫(yī)療機構用于癲癇診斷。但國內SQUID-MEG依賴進口，數(shù)量約20臺，均在國內高校、科研機構或三甲醫(yī)院，滲透率較低。這是由于目前SQUID-MEG產品存在價格昂貴(約3,000萬/臺)，體積龐大，需液氦維持超導狀態(tài)、使用成本高，屏蔽室造價昂貴且占地面積大，靈活性差等問題。

　　圖：SQUID-MEG推廣挑戰(zhàn)

　　

　　資料來源：文獻檢索[6]，沙利文分析

　　03 新一代腦磁圖優(yōu)勢顯著，將加快MEG普及

　　OPM-MEG是一種利用光與原子的相互作用來探測磁場的技術。基于SERF理論，當一束圓偏振泵浦光照射堿金屬原子時，堿金屬原子發(fā)生能級躍遷，產生自旋極化;在外界弱磁場作用下，堿金屬原子做拉莫爾進動而產生一個進動偏角，其大小在一定范圍內與磁場強度成正比;當另外一束偏振探測光垂直于泵浦光照射進來，堿金屬原子的偏振方向會發(fā)生微小偏轉，通過探測偏振角的變化可以直接反應磁場的大小。理論計算，無自旋交換弛豫原子磁強計裝置靈敏度可達0.01fT/√Hz甚至更低;實驗室中，已取得0.16fT/√Hz的靈敏度，是人類目前掌握的最靈敏的磁探測物理技術。

　　圖：SQUID與OPM技術比較

　　

　　來源：文獻檢索[6]，沙利文分析

　　在SERF理論支持下，OPM-MEG技術快速發(fā)展。2010年，Johnson等使用基于Rb堿金屬原子的SERF磁力計探測大腦磁場，并與基于SQUID商用腦磁系統(tǒng)進行對比，證明了OPM-MEG的有效性。2017年，英國諾丁漢大學Sir Peter Mansfield影像中心首次使用常溫原子磁強計成功記錄腦磁信號和空間溯源定位。隨著對OPM-MEG的研究持續(xù)深入，科學家們通過縮小原子蒸氣室體積、采用微機電技術、元件裝置集成等方式，多維度研發(fā)體積更小的探測器，目前OPM-MEG探測器橫截面積已縮小至硬幣大小。探測器體積的縮小進一步推動多通道集成OPM-MEG研發(fā)，目前已開發(fā)出過百通道的OPM-MEG產品，但目前全球尚無基于OPM技術的臨床用腦磁圖上市。國內已有心磁圖臨床用產品獲批上市，這是由于心臟磁場強度為1,000-10,000fT量級，探測難度小于腦磁場。

　　圖：OPM-MEG優(yōu)勢分析

　　

　　來源：公開信息，沙利文分析

　　OPM-MEG研究持續(xù)升溫，國外的普林斯頓大學、諾丁漢大學等，國內的北京大學、中國科學院、北京航空航天大學等高校和科研機構紛紛投身該領域。OPM-MEG不僅探測器具有高技術壁壘，磁屏蔽裝置、磁反演等相關技術也是開發(fā)OPM-MEG產品過程中必須克服的挑戰(zhàn)。同時，由于產品研發(fā)不同于實驗室研究，產業(yè)化瓶頸高，兼具探測器、磁屏蔽裝置、磁反演技術的研究團隊在產品商業(yè)化進程中更具優(yōu)勢。

　　四、腦磁技術在國家政策推動下，未來產品升級、滲透率進一步提升

　　01 國家將腦磁技術列入重點發(fā)展領域，鼓勵建立影像中心

　　MEG作為腦功能研究的重要工具，獲得了國家的高度重視。由工信部牽頭，國家十部門聯(lián)合發(fā)布的《“十四五”醫(yī)療裝備產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》將腦磁測量列入重點發(fā)展領域，并將高精度磁場傳感器作為產業(yè)基礎攻關行動的攻關核心元器件;《“十四五”醫(yī)藥工業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出要大力推動創(chuàng)新產品研發(fā)，在醫(yī)療器械領域重點發(fā)展新型醫(yī)學影像、可穿戴監(jiān)測等領域的醫(yī)療器械;國務院辦公廳印發(fā)了《“十四五”國民健康規(guī)劃》引導促進醫(yī)學影像中心獨立設置機構規(guī)范發(fā)展。在政策利好的環(huán)境下，腦磁技術將獲得高速發(fā)展，臨床用腦磁圖的研發(fā)及市場準入加快，并在醫(yī)學影像中心規(guī)范發(fā)展推動下拓展應用場景，提高市場滲透率。

　　02 腦磁圖升級換代，未來新型腦磁圖性能更優(yōu)

　　公開信息顯示，全球約有150～200臺MEG。我國在2000年后陸續(xù)引進多臺MEG，但國內的MEG存在使用時間過長、產品老舊的情況，如廣東三九腦科醫(yī)院的MEG使用已超20年，南京腦科醫(yī)院的MEG設備使用時間也已近20年，而一般建議大型醫(yī)療設備服役10年后應換新。目前，國內在役的MEG主要為SQUID-MEG，但近年我國已有自主研發(fā)的OPM-MEG科研機上市。未來，隨著OPM-MEG技術進一步成熟，MEG將向著小型化、個體化、穿戴化、場地靈活化發(fā)展，安裝及維護成本將持續(xù)降低;OPM-MEG將實現(xiàn)更高的靈敏度，提供更高質量的數(shù)據(jù)。新一代腦磁圖憑借其優(yōu)勢，將開辟腦磁測量新時代。

　　五、國內外企業(yè)爭相布局腦磁圖，新一代醫(yī)用腦磁圖指日可待

　　01 SQUID-MEG競爭格局

　　SQUID-MEG技術成熟，已有306通道產品問世，可實現(xiàn)全腦覆蓋。布局SQUID-MEG的國外公司主要包括MEGIN、Compumedics、CTF MEG等，其產品各有特點。

　　圖：主要SQUID-MEG產品分析

　　

　　資料來源：公司官網(wǎng)，沙利文分析

　　MEGIN：MEGIN在腦磁探測技術領域擁有豐富的經(jīng)驗。公司瞄準癲癇市場，其產品TRIUX™ neo可無創(chuàng)定位大腦內癲癇活動區(qū)域，與其他腦成像技術配合可用于神經(jīng)外科。公司產品Elekta Neuromag TRIUX是國內唯一獲NMPA注冊證的腦磁產品(注冊證編號：國械注進20162210041)。MEGIN曾被Elekta收購，又于2018年被拆分出售給Croton Healthcare。

　　

　　TRIUX™ neo

　　Compumedics：Compumedics成立于1985年，是全球領先的電磁源定位、多模態(tài)神經(jīng)成像、高密度EEG及fMRI技術提供商。公司SQUID-MEG產品Orion LifeSpan™ MEG的核心專利技術為雙弛豫振蕩超導量子干涉探測器(DROS SQUID)，信噪比優(yōu)于傳統(tǒng)SQUID探測器，已獲FDA、KFDA批準用于臨床。

　　

　　Orion LifeSpan™ MEG

　　CTF MEG：CTF MEG公司于1970年成立，2009年CTF MEG收購4D Neuroimaging公司，2014年研發(fā)出275通道的SQUID-MEG產品cMEG，并于2019年推出臨床友好型cMEG。cMEG運行穩(wěn)定，探測器密度高，電子元件高帶寬、高轉換速率、高采樣率，數(shù)據(jù)儲存速度快。

　　

　　cMEG

　　02 OPM-MEG競爭格局

　　根據(jù)公開信息，多家國內外公司已布局OPM-MEG賽道，包括Cerca、FieldLine、昆邁醫(yī)療、磁波智能、中科知影等。同時，美國QuSpin公司作為OPM探測器研發(fā)企業(yè)，其新一代OPM技術探測器產品QZFM Gen-3性能優(yōu)越，靈敏度7-10fT/√Hz，大小約2cm2，被Cerca、磁波智能等OPM-MEG研發(fā)公司所使用。OPM作為一種尖端磁場探測技術，可用于軍事、航空等敏感領域，過度依賴國外研發(fā)的探測器存在被制裁的隱患。目前，我國已有企業(yè)采用自研OPM探測器進行MEG研發(fā)，全設備自研模式自主可控，可有效規(guī)避風險。

　　Cerca：Cerca由諾丁漢大學孵化，為諾獎實驗室Peter Mansfield影像中心的轉化公司。Cerca使用QuSpin公司的探測器開發(fā)了全球首個基于OPM技術的商業(yè)化、全集成、頭戴式MEG科研用機。該設備可測量頭皮周圍50個位置的磁場，實現(xiàn)大腦全覆蓋，并可在受試者移動時探測，可供成人和兒童佩戴使用，但該設備仍需在1.3m*1.3m的磁屏蔽室使用。

　　

　　Cerca OPM-MEG

　　FieldLine：FieldLine上市產品HEDscan™系統(tǒng)是一種基于OPM探測器技術、非侵入式、可穿戴的MEG設備。該設備借助放置在頭部的自研小型量子探測器(靈敏度15fT/√Hz，橫截面約2cm2)，可高保真記錄和映射神經(jīng)活動;僅需借助磁屏蔽筒即可在任何醫(yī)療機構的任何房間使用;頭盔輕質、穿戴性強，適合所有年齡段和頭部尺寸的人群。

　　

　　HEDscan™

　　昆邁醫(yī)療：昆邁醫(yī)療是一家以量子操控與探測技術為核心，致力于開發(fā)生物功能磁成像設備的醫(yī)療科技企業(yè)。公司參與了多項國家重大科技基礎設施與項目共建，并已完成國內首例科研裝機，獲得“國產高端設備科研示范應用”稱號。自主研發(fā)的核心產品OPM-MEG突破了高靈敏度磁傳感(12-15fT/√Hz)、開放式磁屏蔽、高精度磁反演等一系列技術，探測器橫截面積約3cm2。昆邁醫(yī)療為國內首家也是目前唯一一家通過創(chuàng)新醫(yī)療器械審查的OPM-MEG研發(fā)企業(yè)，臨床用機處于醫(yī)療器械注冊審批中，有望成為全球首款上市的臨床用OPM-MEG。

　　

　　昆邁醫(yī)療OPM-MEG*

　　*：右圖為昆邁醫(yī)療參與共建的北京懷柔多模態(tài)跨尺度生物醫(yī)學成像設施

　　磁波智能：磁波智能是一家專注研發(fā)磁波診療技術的科技公司，團隊成員在量子傳感、人體弱信號檢測等方面有著豐富經(jīng)驗。公司使用自研超靈敏磁傳感器MagneticWave或QuSpin探測器產品，搭配高性能磁屏蔽筒，可提供科研定制服務。同時，公司代銷QuSpin、FieldLine、Twinleaf的磁傳感器。

　　

　　磁波智能自研磁屏蔽設備

　　中科知影：中科知影成立于2019年，由中國科學院生物物理研究所孵化。中科知影致力于進行新型腦磁圖等生物弱磁檢測設備的研發(fā)、生產和服務。公司在腦磁圖及零場弱磁檢測技術領域獲批多項國內外發(fā)明專利，并設立了北美技術研發(fā)中心。

　　

　　中科知影OPM-MEG

　　03 國內腦磁圖采購情況

　　過去，我國MEG高度依賴進口，根據(jù)中國政府采購網(wǎng)和中國國際招標網(wǎng)數(shù)據(jù)，2014年以來我國高校、科研機構及醫(yī)療機構共采購了18臺MEG，12臺為SQUID-MEG，6臺為OPM-MEG，其中3臺來自于昆邁醫(yī)療，而OPM-MEG采購價格遠低于SQUID-MEG。不難發(fā)現(xiàn)，目前我國腦磁圖市場主要被SQUID-MEG占據(jù)，而我國OPM-MEG商業(yè)化進程加速，據(jù)目前公開信息，昆邁醫(yī)療、磁波智能等已有科研機產品，昆邁醫(yī)療臨床用機正在注冊中，預計不久將會有OPM-MEG產品獲批上市。

　　圖：國內腦磁圖采購情況分析(2014-2023)

　　

　　資料來源：政府官網(wǎng)，沙利文分析

　　未來，隨著OPM-MEG科研用機商業(yè)化進一步加深及臨床用機上市，OPM-MEG將為更多的醫(yī)療機構及腦科學研究機構使用，為神經(jīng)、精神疾病患者帶來診斷更佳和價格更優(yōu)的選擇，加速人類對于大腦的認知。OPM-MEG將憑借其技術和應用優(yōu)勢，在腦成像市場中占據(jù)重要地位。

（責任編輯：華康）