深圳先進(jìn)院醫(yī)學(xué)成像科學(xué)與技術(shù)系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗室注重交叉利用數(shù)學(xué)和物理前沿，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)的突破?？焖俅殴舱癯上窦夹g(shù)是磁共振成像的關(guān)鍵共性技術(shù)，其數(shù)學(xué)本質(zhì)是要求解一個高度病態(tài)反問題，準(zhǔn)確求解困難，深度學(xué)習(xí)技術(shù)已經(jīng)成為求解這一問題的主流工具。深圳先進(jìn)院磁共振團(tuán)隊基于在深度學(xué)習(xí)快速磁共振成像領(lǐng)域的前瞻布局和深厚基礎(chǔ)，針對當(dāng)前技術(shù)需要大量訓(xùn)練樣本及可靠性不足的問題，提出新型深度網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與模型，并充分結(jié)合磁共振成像獨(dú)特的物理性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高加速下的準(zhǔn)確重建。代表性的工作如下。
磁共振利用多通道線圈接收人體生理信號，多線圈的數(shù)據(jù)間具有很強(qiáng)的相關(guān)性。團(tuán)隊針對磁共振成像中全采數(shù)據(jù)難以獲得的巨大挑戰(zhàn)，提出利用線圈間數(shù)據(jù)相關(guān)性這一物理先驗，來構(gòu)建磁共振物理驅(qū)動的無監(jiān)督深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成像模型，并分析了網(wǎng)絡(luò)的誤差上界，為成像可靠性提供保障。實(shí)驗結(jié)果（圖1）表明，該方法無需訓(xùn)練數(shù)據(jù)就能夠重建出高質(zhì)量圖像，且效果與需要訓(xùn)練數(shù)據(jù)方法類似。研究成果發(fā)表在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域著名期刊Medical Image Analysis。
其次，針對目前主流深度學(xué)習(xí)快速重建方法可靠性不足的問題，提出了零階算法展開網(wǎng)絡(luò)的思想，利用網(wǎng)絡(luò)表示正則化子零階信息（正則化子本身），增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的可解釋性，保證了網(wǎng)絡(luò)算法收斂性和魯棒（正則）性。實(shí)驗證明（圖2），該方法重建圖像質(zhì)量明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法。研究成果發(fā)表在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域著名期刊IEEETransactions on Medical Imaging。
此外，磁共振馳豫值是其重要的物理參數(shù)，可以表征組織的一些生理信息，團(tuán)隊基于該物理弛豫先驗和圖像的結(jié)構(gòu)相似性，提出了基于低秩張量的快速磁共振T1ρ馳豫定量方法（SMART），將掃描時間由全采樣數(shù)據(jù)所需的49.9分鐘縮短至3.8分鐘，且在高達(dá)13.2倍加速倍數(shù)下仍能獲得與全采樣數(shù)據(jù)相當(dāng)?shù)膱D像，且重建誤差小于目前主流的重建方法（圖3）。相關(guān)研究工作發(fā)表在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域著名期刊IEEE Transactions on Medical Imaging。
在上述成果的基礎(chǔ)上，團(tuán)隊在信號處理頂刊IEEE Signal Processing Magazine發(fā)表深度學(xué)習(xí)磁共振定量成像綜述長文Physics-Driven Deep Learning Methods for Fast Quantitative Magnetic Resonance Imaging，對物理驅(qū)動的快速定量磁共振成像方法進(jìn)行廣泛和深度的分析，并探討了該領(lǐng)域未來的研究方向。
相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金，科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、廣東省自然科學(xué)基金、深圳市基礎(chǔ)研究重點(diǎn)項目等資助。
論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10177777
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1361841523001378
https://ieeexplore.ieee.org/document/10047962
https://ieeexplore.ieee.org/document/10054204
圖1. 5倍加速重建結(jié)果
圖2.測量噪聲擾動下，4倍加速重建結(jié)果
圖3.不同加速倍數(shù)下（R=11.26, 13.21）所提的SMART方法與其他主流方法的重建結(jié)果對比。
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