深圳先進院在磁共振快速三維成像領域取得新進展
近日，中國科學院深圳先進技術研究院勞特伯生物醫學成像中心的王海峰副研究員和醫學人工智能中心的梁棟研究員合作在磁共振快速三維成像領域取得新進展。研究團隊基于國際前沿的波浪雞尾酒（Wave-CAIPI）快速三維成像技術，在國際上率先提出了一套快速有效的波浪（wave）梯度參數優化方案，并且針對波浪梯度所存在的梯度零階矩不為“零”這一關鍵問題，在國際上首次提出了一種新的截斷式波浪梯度，不僅完善了磁共振快速三維成像理論基礎，同時進一步推動了相關的高級磁共振快速三維成像技術走向臨床應用。
上述關于磁共振快速三維成像的一系列的研究成果最近分別以Parameter optimization framework on wave gradients of Wave-CAIPI imaging為題在國際醫學磁共振領域頂級期刊Magnetic Resonance in Medicine（王海峰副研究員和博士研究生丘志浪為共同第一作者，梁棟研究員為通訊作者，IF = 3.635，DOI: 10.1002/mrm.28034）和以Accelerated 3D bSSFP Using A Modified Wave-CAIPI Technique with Truncated Wave Gradients為題在國際醫學成像領域頂級期刊IEEE Transactions on Medical Imaging（蘇適助理研究員和博士生丘志浪為共同第一作者，梁棟研究員和王海峰副研究員為通訊作者，IF = 6.685，DOI: 10.1109/TMI.2020.3021737）上發表。
掃描速度慢是磁共振三維成像的重要瓶頸問題，嚴重制約了其掃描流量以及重大疾病相關的高級臨床應用，因此，本研究團隊一直致力于磁共振快速三維成像技術的研發，以不斷突破該技術瓶頸的限制。波浪雞尾酒技術是國際前沿的磁共振快速三維成像技術（圖1），該技術所使用的波浪梯度直接決定了其加速性能，而兩者之間的關系尚缺乏理論描述。為了從理論上指導波浪梯度的設計以最優化加速性能，本研究團隊基于最大瞬時頻率和平均幾何因子（g-factor）計算，率先提出了波浪梯度的參數理論優化方案。相比于前人的結果，經本方案優化后所獲得的圖像在不同設備以及加速倍速下得到了11%~28%的信噪比提升（圖2）。
此外，波浪雞尾酒技術所使用波浪梯度的零階矩不為“零”，在用于加速平衡穩態自由旋進（bSSFP）序列時會導致嚴重的帶狀偽影，從而限制了其在磁共振心血管成像等領域的推廣。針對這一關鍵問題，本研究團隊首次提出了一種零階矩等于“零”的截斷式波浪梯度技術，在實現高倍加速的同時，消除了傳統波浪梯度所引入的圖像帶狀偽影（圖3）。該技術已經基于3T磁共振成像系統實現了12倍加速的0.8í0.8í0.8 mm3高分辨率人體全腦三維成像（圖4），以及高倍加速的高分辨率人體脊柱和腹部三維成像。
本研究團隊的上述工作極大縮短了磁共振三維掃描時間，在提高臨床掃描效率的同時，有望拓寬磁共振三維成像的臨床應用范圍。目前，相關成果已申請國內外專利。
上述研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院先導專項、廣東省自然科學基金和深圳市科創委項目的資助。
圖1 波浪雞尾酒（Wave-CAIPI）技術原理示意圖
圖2 不同參數下波浪雞尾酒技術用于加速梯度回波序列的全腦成像結果（a）以及細節放大圖像（b），從上至下分別為采用經驗參數（第一行）、優化參數（第二行）和最大參數（第三行）掃描所得結果
圖3 截斷式波浪梯度和傳統波浪梯度的仿體測試結果，其中，（a）為不同設備所獲得的參考圖像。相比于傳統波浪梯度，截斷式波浪梯度在獲得優異加速性能/低幾何因子（c）的同時，消除了其所引入的帶狀偽影（b）
圖4 研究團隊所提出技術（Wave-bSSFP）和雞尾酒技術（2D-CAIPI-bSSFP）用于加速平衡穩態自由旋進成像結果（a），以及所對應的誤差圖（b）和幾何因子圖（c）
