磁共振成像 (MRI) 是一種非侵入性診斷工具，用于檢測(cè)和評(píng)估腦部疾病、肌肉骨骼損傷、心血管疾病和癌癥。盡管 MRI 與其他醫(yī)學(xué)成像技術(shù)相比具有許多優(yōu)勢(shì)，但速度較慢，這會(huì)增加成本、損害患者舒適度、影響圖像質(zhì)量并需要對(duì)兒童使用鎮(zhèn)靜劑。

由生物醫(yī)學(xué)工程助理教授 Rizwan Ahmad 和電氣與計(jì)算機(jī)工程教授 Philip Schniter 領(lǐng)導(dǎo)的跨學(xué)科工程師、醫(yī)生和科學(xué)家團(tuán)隊(duì)獲得了美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院頒發(fā)的為期四年、價(jià)值 230 萬(wàn)美元的 R01 獎(jiǎng)勵(lì)，用于開(kāi)發(fā)更快、更準(zhǔn)確的 MRI 方法。

典型的 MRI 檢查由多次掃描組成，可能需要一個(gè)小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。對(duì)于每次掃描，患者可能需要靜坐幾分鐘，即使是輕微的運(yùn)動(dòng)也可能影響圖像質(zhì)量。將 MRI 用于動(dòng)態(tài)、時(shí)間敏感的應(yīng)用的需求也在不斷增長(zhǎng)，例如對(duì)跳動(dòng)的心臟或幾秒鐘內(nèi)發(fā)生的瞬態(tài)現(xiàn)象進(jìn)行成像。

“我們的主要驅(qū)動(dòng)力之一是，我們希望通過(guò)采用傳統(tǒng)技術(shù)將使用的測(cè)量的一小部分來(lái)加快這一過(guò)程，”施尼特解釋說(shuō)。“現(xiàn)在的問(wèn)題是，如果我只進(jìn)行一小部分測(cè)量，我將丟失所有這些信息。我該怎么做才能替換這些信息?”

為了替換丟失的信息并恢復(fù)圖像，研究人員將開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證一個(gè)全面的、強(qiáng)大的深度學(xué)習(xí) (DL) 框架，該框架可以超越現(xiàn)有技術(shù)的限制改進(jìn) MRI 重建。

他們提出的框架使用即插即用算法將物理驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)采集模型與最先進(jìn)的學(xué)習(xí)圖像模型相結(jié)合。與現(xiàn)有的 MRI 重建方法相比，即插即用算法可以更快地恢復(fù)圖像，具有更高的質(zhì)量和潛在的優(yōu)越診斷價(jià)值。研究人員還使用基于深度學(xué)習(xí)的降噪器來(lái)進(jìn)一步細(xì)化圖像。他們的方法在IEEE 信號(hào)處理雜志中有所描述。

“即插即用策略的獨(dú)特之處在于它是基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法和傳統(tǒng)工程物理方法的混合體，它在它們之間迭代以最終提供圖像，”施尼特說(shuō)。

一旦完全實(shí)施，該團(tuán)隊(duì)的方法可以將 MRI 掃描時(shí)間縮短一半。他們的解決方案不需要修改硬件;連接到 MRI 掃描儀的計(jì)算機(jī)工作站將執(zhí)行計(jì)算。

“當(dāng)臨床醫(yī)生坐在 MRI 掃描儀上時(shí)，他們希望在幾秒鐘內(nèi)查看圖像，”艾哈邁德解釋說(shuō)。“一旦開(kāi)發(fā)出來(lái)，該算法將能夠在幾秒鐘內(nèi)幾乎實(shí)時(shí)地恢復(fù)圖像。”

為了證明其廣泛的適用性，該團(tuán)隊(duì)將使用來(lái)自兒童和成人患者的 MRI 數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證其框架，這些數(shù)據(jù)專門用于心臟電影和腦部成像。Ahmad 說(shuō)，如果成功，這些發(fā)展帶來(lái)的加速和圖像質(zhì)量改進(jìn)將使幾乎所有 MRI 應(yīng)用受益。

使 MRI 更快對(duì)兒科患者尤其重要。

“兒科成像是一個(gè)更大的問(wèn)題，因?yàn)檩^小的孩子不會(huì)在 MRI 掃描儀中保持靜止，所以他們必須讓他們鎮(zhèn)靜，”艾哈邁德解釋說(shuō)。“越來(lái)越多的文獻(xiàn)表明鎮(zhèn)靜會(huì)產(chǎn)生負(fù)面的長(zhǎng)期后果，因此有必要將其最小化。對(duì)于兒科成像而言，我們可以非?？焖俚剡M(jìn)行掃描非常重要。”

該團(tuán)隊(duì)還證明，在他們的解決方案中使用與正在成像的身體部位相對(duì)應(yīng)的特定降噪器會(huì)產(chǎn)生更好的結(jié)果。這些算法通過(guò)去除不需要的采樣偽像來(lái)增強(qiáng)圖像。

“我們的目標(biāo)也是在更特定于應(yīng)用程序的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)這個(gè)解決方案，”艾哈邁德說(shuō)。“大腦圖像看起來(lái)與心臟圖像非常不同，因此我們可以對(duì)降噪器進(jìn)行特定于應(yīng)用程序的訓(xùn)練。由于它是一個(gè)更專業(yè)的降噪器，它的工作要好得多。”

在訓(xùn)練期間，該團(tuán)隊(duì)讓他們的降噪器訪問(wèn)數(shù)千個(gè)圖像數(shù)據(jù)集，包括來(lái)自紐約大學(xué)fastMRI 數(shù)據(jù)集的圖像。

“降噪器是計(jì)算神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗鼈兊奶幚斫Y(jié)構(gòu)看起來(lái)很像哺乳動(dòng)物的大腦，”施尼特說(shuō)。“我們讓他們?cè)L問(wèn)大量醫(yī)學(xué)圖像，他們最終學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)并學(xué)習(xí)如何對(duì)醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行降噪，而我們從未明確告訴他們?nèi)绾稳プ觥?rdquo;

作為該項(xiàng)目的一部分，研究人員還創(chuàng)建了一個(gè)包含數(shù)百個(gè)心臟圖像數(shù)據(jù)集的開(kāi)源存儲(chǔ)庫(kù)，以推動(dòng)該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

“受我們的聯(lián)合研究員 Florian Knoll 對(duì) fastMRI 數(shù)據(jù)集所做的啟發(fā)，我們希望對(duì)心臟數(shù)據(jù)做類似的事情，”Schniter 說(shuō)。“建立數(shù)據(jù)集是該領(lǐng)域取得大量進(jìn)展的催化劑。一旦人們有了數(shù)據(jù)，許多團(tuán)隊(duì)就可以使用這些數(shù)據(jù)并相互競(jìng)爭(zhēng)以改進(jìn)方法論。”

該項(xiàng)目的聯(lián)合調(diào)查員包括俄亥俄州立醫(yī)學(xué)院研究人員心血管醫(yī)學(xué)副教授 Karolina Zareba、放射學(xué)和心血管醫(yī)學(xué)教授奧蘭多西蒙內(nèi)蒂以及生物醫(yī)學(xué)信息學(xué)研究副教授蓋伊布洛克。來(lái)自全國(guó)兒童醫(yī)院的 Mai-Lan Ho 博士和紐約大學(xué)的放射學(xué)助理教授 Florian Knoll 也是合作者。

這項(xiàng)研究得到了美國(guó)國(guó)家生物醫(yī)學(xué)成像和生物工程研究所 (NIBIB) 的支持。

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