科研进展

深圳先进院在磁共振快速三维成像领域取得新进展

  

  近日,中国科学院深圳先进技术研究院劳特伯生物医学成像中心的王海峰副研究员和医学人工智能中心的梁栋研究员合作在磁共振快速三维成像领域取得新进展。研究团队基于国际前沿的波浪鸡尾酒(Wave-CAIPI)快速三维成像技术,在国际上率先提出了一套快速有效的波浪(wave)梯度参数优化方案,并且针对波浪梯度所存在的梯度零阶矩不为“零”这一关键问题,在国际上首次提出了一种新的截断式波浪梯度,不仅完善了磁共振快速三维成像理论基础,同时进一步推动了相关的高级磁共振快速三维成像技术走向临床应用。 

  上述关于磁共振快速三维成像的一系列的研究成果最近分别以Parameter optimization framework on wave gradients of Wave-CAIPI imaging为题在国际医学磁共振领域顶级期刊Magnetic Resonance in Medicine(王海峰副研究员和博士研究生丘志浪为共同第一作者,梁栋研究员为通讯作者,IF = 3.635DOI: 10.1002/mrm.28034)和以Accelerated 3D bSSFP Using A Modified Wave-CAIPI Technique with Truncated Wave Gradients为题在国际医学成像领域顶级期刊IEEE Transactions on Medical Imaging(苏适助理研究员和博士生丘志浪为共同第一作者,梁栋研究员和王海峰副研究员为通讯作者,IF = 6.685DOI: 10.1109/TMI.2020.3021737)上发表。 

  扫描速度慢是磁共振三维成像的重要瓶颈问题,严重制约了其扫描流量以及重大疾病相关的高级临床应用,因此,本研究团队一直致力于磁共振快速三维成像技术的研发,以不断突破该技术瓶颈的限制。波浪鸡尾酒技术是国际前沿的磁共振快速三维成像技术(图1),该技术所使用的波浪梯度直接决定了其加速性能,而两者之间的关系尚缺乏理论描述。为了从理论上指导波浪梯度的设计以最优化加速性能,本研究团队基于最大瞬时频率和平均几何因子(g-factor)计算,率先提出了波浪梯度的参数理论优化方案。相比于前人的结果,经本方案优化后所获得的图像在不同设备以及加速倍速下得到了11%~28%的信噪比提升(图2)。 

  此外,波浪鸡尾酒技术所使用波浪梯度的零阶矩不为“零”,在用于加速平衡稳态自由旋进(bSSFP)序列时会导致严重的带状伪影,从而限制了其在磁共振心血管成像等领域的推广。针对这一关键问题,本研究团队首次提出了一种零阶矩等于“零”的截断式波浪梯度技术,在实现高倍加速的同时,消除了传统波浪梯度所引入的图像带状伪影(图3)。该技术已经基于3T磁共振成像系统实现了12倍加速的0.8í0.8í0.8 mm3高分辨率人体全脑三维成像(图4),以及高倍加速的高分辨率人体脊柱和腹部三维成像。 

  本研究团队的上述工作极大缩短了磁共振三维扫描时间,在提高临床扫描效率的同时,有望拓宽磁共振三维成像的临床应用范围。目前,相关成果已申请国内外专利。 

  上述研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院先导专项、广东省自然科学基金和深圳市科创委项目的资助。 

  1 波浪鸡尾酒(Wave-CAIPI)技术原理示意图 

2 不同参数下波浪鸡尾酒技术用于加速梯度回波序列的全脑成像结果(a)以及细节放大图像(b),从上至下分别为采用经验参数(第一行)、优化参数(第二行)和最大参数(第三行)扫描所得结果 

图3 截断式波浪梯度和传统波浪梯度的仿体测试结果,其中,(a)为不同设备所获得的参考图像。相比于传统波浪梯度,截断式波浪梯度在获得优异加速性能/低几何因子(c)的同时,消除了其所引入的带状伪影(b 

图4 研究团队所提出技术(Wave-bSSFP)和鸡尾酒技术(2D-CAIPI-bSSFP)用于加速平衡稳态自由旋进成像结果(a),以及所对应的误差图(b)和几何因子图(c