第三节　磁共振成像发展

磁共振成像技术的应用与发展，见证了MRI设备进入临床40年来医学、生物、物理、电子工程、计算机和网络通信技术的诞生与发展沿革。目前现代医学技术的提升与磁共振技术的发展相互融合、相互推动、相互依存、相互交叉的趋势已经成为共识。随着科学技术的进步，磁共振技术将取得广泛、深入的发展。

一、磁共振成像设备新进展

（一）超高场磁共振

近年来受益于高科技特别是计算机技术的飞速发展，各种硬件和高级临床应用软件的创新层出不穷，磁共振扫描的技术和临床应用也呈现加速发展的态势。磁共振一直面临的临床和科研领域的一些难题：如伪影问题、心血管成像、功能与分子影像及MR治疗等也有较大突破。其中起到关键作用的技术包括超导技术、数字信号处理、并行采集技术、网络化等。磁共振硬件的发展主要体现在高性能磁体、双梯度系统、多通道相控阵线圈以及并行采集技术等。新技术提高了图像信噪比，缩短了扫描时间。追求理想的信噪比和快速的扫描速度一直是人们多年来的目标。众所周知，磁场强度越高，信噪比越高，扫描时间越短。全身超高场磁共振在临床应用和科学研究中具有一系列的优点，如信噪比更高，功能与分子成像的结果更可靠，更有利于心脏和冠状动脉成像等。超高场磁共振人体成像技术经历了30多年的发展，在医学、神经学等领域中优势已显示，还有诸多的优势等待深入挖掘。但是超高场磁共振人体成像技术还存在着诸多的问题。

超高场磁共振发展至今，一直无法突破的硬件壁垒就是梯度，传统的7T磁共振一直采用的是3T的梯度系统，7T磁共振的梯度性能至少要达到100mT/m以上，才能够符合其超高场脑神经活动研究的价值。

（二）低场开放性磁共振

在超高场磁共振不断发展成熟之际，低场的开放性永磁型磁共振成像系统也在迅速发展。这种磁共振成像系统区别于传统的闭合式磁共振，患者在检查过程中不需要被封闭，磁场强度通常只有0.2~0.5T。它有许多高场所无法取代的优点，如：不需要消耗液氦，运转费用低廉；噪声小，化学位移伪影小，射频能量的吸收也少；克服了检查空间小的缺点，便于儿童和重症患者的监护以及介入的开展。为了在开放的同时追求更高的信噪比、更快的成像速度，一方面需要提高永磁体场强和梯度、射频等硬件指标，另一方面，高场的许多脉冲序列被移植到低场中，许多高场的功能也可以在低场开放性磁共振中实现。随着硬件软件配置全面升级，现在的低场永磁型磁共振与传统的低场磁共振相比，图像质量有了较大提升。

（三）新型便携式磁共振

当前，MRI系统主要以固定的方式安装在医院符合特殊要求的磁体屏蔽室中，医院在采购磁共振设备时，除了高昂的购机费用外，还需考虑场地和基建等因素，综合使用要求较高。此外，还限制了对不适宜做长距离搬移的特殊患者的应用。移动便携式磁共振成像设备，作为传统MRI设备的一种补充，很好地解决了这一问题。便携式磁共振成像设备，是MRI成像技术的又一创新发展。作为传统大型常规MRI设备的一种补充和扩展，具有低场强、体积小、便携移动、易操作等特点。设备可以任意地被推入重症监护室（ICU）、手术室、急诊室及常规病房。在患者病床旁进行检查，给医生提供必要的影像资料，迅速地制订治疗方案，降低因搬动患者带来的不便，有效地规避了意外医疗风险及不良事件的发生，扩展了MRI临床上的检查应用范围。

（四）无液氦磁共振

2018年正式推出的无液氦磁共振技术，意味着无液氦磁共振时代的开始。液氦作为制冷剂，可保持浸泡在其中的磁体维持超导状态，然而液氦浸泡冷却的磁体有很多缺点，如生产设计复杂、容易失超等，更重要的是氦气是不可再生资源，终将被消耗殆尽。2016年北美放射协会（RSNA）会议上推出的一项无液氦消耗超导磁体技术，应用于1.5T超导磁共振，仅使用了约20L液氦，远低于当时常规的2 000L液氦。2018年，正式发布的全球首台无液氦消耗磁共振将7L液氦完全封装在容器内，确保零液氦泄漏。值得一提的是，2019年，我国成功研制1.5T无液氦超导磁共振，不仅采用冷头传导冷却方式，而且磁体为100%无液氦干式磁体。2022年1月，国产“开天”i_Vision 1.5T无液氦磁共振正式获得国家药品监督管理局批准的医疗器械注册证，国产“固冷”无液氦医用超导磁共振产品也通过了国家药品监督管理局的注册审批，业界首台无液氦超导磁共振上市。与国外相比，在“有液氦”超导磁共振方面，我国起步晚，经过多年努力，目前已经基本追上发展速度。而且在“无液氦”超导磁共振方面，我国同样有深厚的技术底蕴，基本与国外处于同一水平。

二、磁共振临床应用新技术

（一）体素内不相干运动

体素内不相干运动（intravoxel incoherent motion，IVIM）可以敏感地检测到弥散成像中的信号衰减。与传统表观弥散系数（ADC）成像不同，IVIM可以区分造成信号衰减的微血管灌注和分子弥散。从而使得IVIM具备一次扫描同时获得灌注信息与弥散信息的能力，并且无对比剂的使用。IVIM在肿瘤方面体现出重大的价值，如早期检测、诊断，肿瘤分级，检测肿瘤预后以及对治疗的早期反应等方面。

（二）弥散峰度成像

弥散峰度成像（diffusion kurtosis imaging，DKI）是用以研究水分子弥散的非高斯分布效应的磁共振成像方法，包含表观弥散系数（apparent diffusion coeffecient，ADC）和表观峰度系数（apparent kurtosis coeffecient，AKC）两个主要参数，除可以获得参数各向异性分数（fraction anisotropy，FA）和平均弥散率（mean diffusion ratio，MD）外，还可获得平均峰度（mean kurtosis，MK），即各方向AKC的均值。其采用四阶三维完全对称张量，空间弥散形成多刺凸面，可吻合多纤维走行。

（三）3D高清血管编码

磁共振动脉自旋标记（arterial spin labeling，ASL）是近年来检测脑组织血流灌注情况的一项新技术，与传统注射对比剂的磁共振灌注成像方法相比，ASL以动脉血内自由弥散的水质子为内源性示踪剂，不需注射外源性对比剂，可降低成本，并具有无创、简便、易重复等优点，是临床科研的热点和利器。高清的区域动脉自旋标记（territory arterial spin labeling，tASL）技术对标记层面内的目标动脉相位进行梯度编码，与选择性射频脉冲配合，标记各个供血动脉（左侧颈内动脉、右侧颈内动脉、椎动脉、基底动脉等），既能定量测量脑血流量，又能同时获得局部脑血流灌注的来源信息。在评价脑部侧支循环状况、判断动静脉畸形供血血管、定量分析局部血流灌注等研究方面具有重要的意义。同时，精准的单根血管标记，为3D tASL技术进入体部研究奠定了基石。

（四）磁敏感加权成像

磁敏感加权成像（susceptibility weighted imaging，SWI）是根据不同组织间的磁敏感性差异提供影像对比的磁共振成像方法，但SWI不能对组织内的磁化率信息进行定量分析，是临床科研工作的一大困扰。作为近年来发展起来的定量磁化率成像（quantitative susceptibility mapping，QSM）技术，可以给出磁化率定量图像。定量磁化率成像是采用复杂的场图拟合、完全相位解缠、背景场去除、磁化率反演等技术得出可精确反映组织本身固有磁化率值的磁共振定量成像技术。

（五）化学交换饱和转移

化学交换饱和转移（chemical exchange saturation transfer，CEST）利用特定的偏共振饱和脉冲，对特定物质（如生物组织中内源性游离蛋白质、多肽的酰胺质子、葡萄糖、黏多糖等）进行充分的预饱和，这种饱和通过化学交换进一步影响自由池水分子的信号强度，通过检测水分子的信号，可间接反映这种物质信息的无创性分子磁共振成像方法，是在磁化传递技术及化学交换理论基础上发展起来的一种磁共振成像技术。

（六）磁共振指纹打印技术

磁共振指纹打印技术（MR finger printing，MRF）使用一种伪随机采集方法对数据进行采集、后处理和实现可视化，并使之具有唯一的信号演变成“指纹”，即同时获得所研究的不同物质特性的功能。数据采集后的处理过程涉及模式识别算法，将“指纹”与预测信号演变的预定义资料库匹配。然后这些“指纹”被转换成定量的感兴趣区的磁性参数图。MRF提供高准确度的T1、T2、质子密度及扩散定量图，这为在影像生物标志物方面应用磁共振成像提供了一种全新方法，可以应用于神经、肿瘤、肌骨、心血管、代谢和胸部检查。

与传统的定性MR扫描相比，MRF在单次成像时间内可以获得完整的定量结果，且没有在许多其他快速检查方法中存在的对测量误差高度敏感的特点。最重要的是，只要给予足够的扫描时间，MRF有潜力同时定量检测很多MR参数，而当前的MR技术一次只能检测有限的参数。因而，MRF打开了计算机辅助多参数MR分析的大门，类似于基因组或蛋白组分析，可检测从大量MR参数中同时获得的重要且复杂的数据变化。新的研究表明，有可能通过MRF获得扩散数据和灌注信息。MRF可提供高度可重复性的多参数图像，在多中心/多机型研究中有很大的潜能。

（七）多核成像技术

磁共振成像技术主要以1H成像为主，随着高场MRI成像技术的发展，用来成像的核素不再仅局限于1H，使用1H以外的核素的磁共振成像也具有应用价值。如31P在能量代谢中起着重要作用，对缺血性心脏病、动脉粥样硬化及皮肌炎的辅助诊断具有一定价值。23Na的磁共振成像也具有临床意义，可以检测肿瘤、软骨健康、肾衰竭等多种生理疾病。近年来已开发的13C的超极化技术，可用于血管成像、肺循环及灌注成像、代谢成像等。然而，31P、23Na、13C的检测仍然具有挑战性，其信号强度比1H要弱4~5个数量级，因此，仍需要1H成像线圈进行定位和匀场，开发具有多核成像功能的射频线圈。总之，多核成像的应用开辟了MRI的新领域。作为一种影像学手段，多核成像提供了获得活体血流、灌注及分子信息的可能性。这种新的诊断平台可为放射学家提供有关医学诊断及治疗的重要信息。

三、人工智能磁共振成像应用

近年来，人工智能模拟人类思维，高效进行数据挖掘整合，推动精确诊断、鉴别诊断的数字医学出现迅猛发展。从影像大数据中提取肉眼难以有效识别的图像信息，通过分析这些信息来建立诊断疾病的预测模型，将成为具有广阔应用前景的技术手段。尤其是在医学影像领域，包括对病灶区域的分割及检测定位、疾病类型的分类及分级诊疗、诊断方法的推荐等。人工智能能够辅助临床医生进行诊断，提升医生的工作效率。不仅如此，人工智能算法在医学图像重建过程中，可以进行图像生成、去噪和重建，提高图像质量。

目前，最常用的人工智能算法主要包括以下4种：①人工神经网络（artificial neural network，ANN），是一种可以构建模型的模拟人脑神经元网络的抽象算法；②支持向量机（support vector machine，SVM），是一类按监督学习方式对数据进行二元分类的广义线性分类器，通过算法改进可以实现图像识别、文本分类等，较为常用；③深度卷积神经网络（deep convolutional neural network，CNN），是深度学习的代表算法，其仿造生物的视知觉机制构建，常用于计算机视觉、自然语言处理，效果稳定；④随机森林（random forest，RF）最早由贝尔实验室提出，是利用多棵树对样本进行训练并预测的一种高准确度的分类器。

（一）人工智能在磁共振成像重建中的应用

近几年图像重建的第三次技术发展基于数据驱动和模型学习，丰富的数据库和强大的计算能力使我们可以利用数据驱动，寻求图像间的映射关系，进行图像重建。数据驱动下的学习模型有多种，大多是根据低质量图像和高质量图像的配对映射关系进行图像重建。例如根据低质量图像块和高质量图像块的映射关系，从高质量图像块构建字典，通过对低质量图像块的稀疏表达，低质量图像得到重建；对图像块的变换进行学习，对解析变换的结果进行稀疏约束；除了针对图像块的信息提取，也可以针对全图进行操作，学习多种滤波器并进行加权组合，以层层卷积的形式逐渐将低质量图像质量提高。

（二）人工智能在磁共振图像后处理与分析中的应用

通过磁共振设备丰富的序列扫描，我们可以对特定临床问题，进行不同对比度的磁共振成像，为临床问题提供丰富的诊断信息。临床医生通常是根据图像的定性特征对图像进行解释，因此不同的医生，甚至是同一医生不同时间给出的诊断结论都不尽相同。人工智能近年来在辅助临床医生进行诊断方面得到了快速发展，其研究方向涉及多个医学领域，包括乳腺癌、肺结节、皮肤病、早期肿瘤等。深度学习的方法能够有效利用影像以及其他相关联数据信息，实现对感兴趣区（region of interest，ROI）的分割、检测和定位，完成不同疾病类型的分类和分级，辅助医生进行临床诊断，计算机辅助诊断的步骤通常包括图像预处理、病灶分割、特征提取、诊断结论等。

（李真林　王秋霞）