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磁共振实验室


磁共振实验室

MRI Lab

作为全球唯一以磁共振成像发明人、诺奖获得者 Paul C. Lauterbur命名的机构,SIAT影像中心磁共振实验室总体目标是:传承巨匠科学精神,瞄准国际磁共振成像领域的科学前沿,结合我国对高端医疗设备的战略发展需求,研究超高场磁共振成像物理、理论与关键技术,发展多模磁共振成像系统(MRI-PETMRI-US),开展产学研医合作,推动磁共振成像在科学研究和临床诊断中的前沿应用,提升磁共振成像领域的科研水平和国际影响力,为我国自主高端磁共振产业提供战略性、前瞻性的知识储备军和实验平台支撑。



2019年度研究进展

1. 快速磁共振成像技术与装备

磁共振成像系统是基于核磁共振原理对生物组织进行成像的仪器, 在医学临床诊断中具有重大价值。磁场场强越高,图像分辨率和信躁比越高。3T磁共振成像是目前临床逐步普及应用的高端成像设备,但实际成像效果还受制于系统软件和硬件部件性能。现有3.0T磁共振的成像速度和分辨率仍然不足, 限制了不少重大疾病(如脑卒中斑块、心脏病、微小肿瘤等)的诊断。郑海荣团队与联影医疗历时10年攻关, 创建了"软硬件协同" 的快速成像体系,发明了深度稀疏和细节保持的快速成像理论,攻克核心部件难关,突破国际知识产权壁垒,研制出我国首台3.0T 高场磁共振,目前进入全国近百家三甲大型医院安装应用。
该方向受国家基金委仪器专项、基金委重点项目、科技部数字诊疗专项、中科院战略性先导专项支持,相关成果获得2019年度"黄家驷生物医学工程奖" 科技进步一等奖、2018年广东省技术发明一等奖和2018年深圳市技术发明一等奖。


1.1 快速磁共振成像方法与射频技术

波浪可控混叠并行成像(Wave-CAIPI )是国际前沿的磁共振并行成像技术,该技术能够极大的降低几何因子相关的信噪比丢失,从而加速磁共振成像的扫描速度。Wave-CAIPI技术的加速性能与其所施加梯度磁场的幅度和频率相关, 而现有Wave-CAIPI的相关应用均是根据经验人为的选取上述两个参数,往往不是最优的。针对该问题,团队提出了一种Wave-CAIPI的参数优化方法,对梯度磁场的幅度和频率做自动优化,优化后的参数相比经验选择的参数,能够获得更高的成像信噪比以及更快的扫描速度。团队将优化后的Wave-CAIPI首次同黑血SPACE序列相结合,在3T磁共振系统中实现了0.6mm备向同性且4倍加速的全脑血管壁成像。此外,团队通过对Wave-CAIPI加速原理进行研究,提出了一种截断式Wave编码技术,并将该技术首次应用到了bSSFP成像当中, 实现了0.8mm各向同性且12倍加速的全脑成像,以及1.4mm各向同性且4倍加速的腹部成像。相关成果已在SCI期刊Magnetic Resonance in Medicine、IEEE ISIBI国际会议和ISMRM国际会议上发表。在项目支持下开发了多通道局部发射射频头线圈,各通道可独立控制。仿真结果表明该设计可实现均匀激发。目前已完成样机开发,准备系统集成测试。

快速成像方法 射频系统


n结合Wave-CAIPI技术和bSSFP序列,实现超高场下38s n发射接收一体设计;

全脑三维扫描, 12×加速,分辨率: 0.8×0.8×0.8 mm3 n4通道独立发射端口实现头颈幅相可调,发射匀场;

Shi Su, Haifeng Wang, Dong Liang, et al IEEE-TMI. In revision n多通道高密度接收阵列单元,覆盖头颈一体扫描;



1.2 磁共振成像高级应用

1.2.1 高分辨血管壁技术的临床应用研究

动脉粥样硬化斑块破裂引发血栓形成导致局部或远处血管完全闭塞,是缺血性脑卒中的主要发病机制,及时发现易损斑块或其他管壁病变是缺血性脑卒中早期预防和精准治疗的关键。团队研发了新型成像原理与算法、基于新型重建框架的快速采样与重建方法以及高性能头颈联合血管线圈,在国产磁共振设备上实现国际领先和自主创新的快速高分辨血管壁成像技术及其临床应用,实现在 0.5mm 各向同性分辨率和高信噪比与对比度前提下,成像时间低于5分钟,达到国际领先水平。相关产品(序列和线圈)已在北京宣武医院、解放军总医院、南京鼓楼医院和深圳市多家医院开展临床应用研究,积累超过400例脑卒中患者全脑血管壁图像和头颈一体血管壁图像。项目已发表SCI论文4篇,申请专利2项。

颅颈一体化成像                                                             实现全脑血管壁成像


1.2.2 磁共振脂肪定量技术及临床应用

脂肪精准定量是研究脂肪代谢异常相关疾病以及评估治疗结果的重要手段。队提出一种基于转换区域检测的水脂分离新方法(Fat-water Separation Based on Transition Region Extraction)。该方法使脂肪定量的精确度和稳定性大幅提高,对肝脏代谢性病变的早期精准定量展现出突出的应用潜力。该工作被磁共振领域国际权威期刊Magnetic Resonance in Medicine选为当期封面。文章第一作者为博士研究生彭浩及邹超副研究员,通讯作者郑海荣研究员。


棕色脂肪被认为是具有消耗能量的“好脂肪”。组织内的脂肪含量(FF)是区分棕色脂肪和白色脂肪的重要指标。



上图:TREE方法在低信噪比图像中依然表现稳定

下图:TREE方法用于全身脂肪定量,不仅能计算肝脏脂肪含量,还能定量皮下脂肪、腹腔脂肪体积

Magnetic Resonance in Medicine. 2019,82:436-448


1.2.3 磁共振化学交换饱和转移成像(CEST)技术开发及临床应用研究

CEST是新兴的磁共振分子影像技术,可无创探测生物体组织分子功能信息。团队提出一种直接饱和校正(DISCAPT技术,成功实现肿瘤异质性高质量成像,可有效鉴别肿瘤和坏死组织。临床研究证实,结合APT技术可显著提高胶质瘤真假性进展鉴别的准确率。此外,团队成功实现3T磁共振系统下pH高质量定量成像,与金标准呈现高度一致性,测量误差小于0.04±0.15 pH单位。研究成果先后发表在NeuroImage2019; 191:610-617)、Magnetic Resonance in Medicine2019;81(4):2710-2719)、Journal of Magnetic Resonance Imagingdoi: 10.1002/jmri.26900)等权威期刊上。


DISC APT肿瘤异质性成像,可有效分辨肿瘤和坏死组织




APT技术显著提高胶质瘤真假性进展鉴别的准确率



3T磁共振系统下pH定量成像



1.3 超高场磁共振系统关键技术预研

近年来, 脑科学研究和重大脑疾病对于旱期诊断的迫切需求, 对磁共1辰成像的时空分辨率以及信噪比提出更高的要求。开发快速、高分辨的磁共振成像技术与仪器设备成为实施前jG科学研究相高质量|自床诊断的共性需求, 也是国际上磁共振成像研究领域的核心竞争所在。磁共摄成像的信号强度直接与主磁场强度成正比, 场强越高则分辨率越离。目前最离场强为1 0.5T人体成像系统。20 1 8年, 团队承担了中国科学院B类战略性先导科技专项课题, 多家单位联合开展忡T先进磁共振成像关键技术研究, 预期能提供分辨率接近于神经元和神经环路尺度的结构像、高分辨率的波谱成像和多孩素成像, 真正实现人体结构、功能和代谢信息的统一。


在磁共振射频系统和成像方法方面,开展了超高场多通道多核代谢成象射频线圈的相关研究,实现了快速成像方法Wave-CAIPI的参数优化、快速图像重建算法和科研应用,探索了高精度磁共振温度测量技术等。相关成果已在磁共振技术领域《Magnetic Resonance in Medicine》等顶级SCI期刊上发表。


1H/19F/23Na/31P多通道收发一体射频线圈系统, 涵盖四核成像所需频率的射频信号激发与采集链核心部件,解决了不同核素通道间相互干扰。双层嵌套式收发一体线圈结构设计在发射模式下实现各核素四通道线圈的圆极化激发, 并提高了接收模式下的接收灵敏度,提升了各核素图像的信噪比。与相应的谱仪控制系统、成像方法配合,可实现感兴趣区域内的1H/19F/23Na/31P四核信号同步成像。


磁共振温度成像是监控身体局部SAR的重要技术手段。项目组实现了高精度磁共振温度测量,并在仿组织体中对温度成像检测的精度进行了标定。通过MRT计算得到的温度精度接近与光纤温度计自身能达到的精度,检测误差为0.03±0.33ºC. 温度成像的精度主要取决于图像信噪比,图像信噪比越高,温度测量精度越好。当前检测的图像分辨率为1.5*1.5mm2,采集时间1s



结合了回波平移与同时多层成像技术的快速温度成像方法


专业实验室

西门子3.0T实验室

联影3.0T 实验室

PET-MRI 实验室