磁共振成像虛擬掃描技術(shù)的發(fā)展及趨勢淺談

匡 斌，何超明

磁共振現(xiàn)象是上個世紀人類的偉大發(fā)現(xiàn)之一，誕生以來，在很多領(lǐng)域產(chǎn)生了積極而深遠的影響，磁共振及其相關(guān)領(lǐng)域誕生的諾貝爾獎獲得者就高達17人[1]，特別是從上個世紀80年代應(yīng)用于醫(yī)學診斷后，其發(fā)展更為迅猛，研究領(lǐng)域不斷擴展，技術(shù)不斷更新[1-3]。

然而，隨著磁共振技術(shù)的發(fā)展，對磁共振虛擬掃描的需求也在不斷發(fā)展，虛掃描既是對磁共振掃描的一種理論模型總結(jié)，同時在其上的創(chuàng)新也可以反過來推動磁共振成像技術(shù)的發(fā)展，目前至少在以下幾個方面存在有意義的應(yīng)用：

(1)低成本大規(guī)模磁共振教學[4]。由于可視化的應(yīng)用，交互性的不斷改進，磁共振成像的基本原理和相關(guān)的各種序列原理，系統(tǒng)理論等都將會快速便捷地被人們所理解和掌握。磁共振技術(shù)從業(yè)人員可以更快地取得需要的經(jīng)驗。

(2)磁共振實驗設(shè)計，磁共振實驗成本較大，需要精心設(shè)計整個實驗的流程，才能夠達到預(yù)期的實驗?zāi)康暮托Ч?。虛掃描可以幫助實驗者，特別是經(jīng)驗不多的人更加有效地設(shè)計實驗[5-9]。

除了教學意義之外，對于磁共振技術(shù)和產(chǎn)品的開發(fā)，甚至產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也有重要意義，體現(xiàn)在以下幾點:

(1)序列原型的編寫[4]。目前，新序列的開發(fā)依賴大量的實際掃描，在引入了虛擬掃描后，可以在開發(fā)初期利用虛擬掃描技術(shù)對原型進行驗證，從而提高了開發(fā)效率，也降低了開發(fā)成本。

(2)參數(shù)的優(yōu)化[10]。參數(shù)優(yōu)化依賴于磁共振應(yīng)用開發(fā)人員的經(jīng)驗和大量的實際掃描，而虛擬掃描在良好的高仿系統(tǒng)模型下，利用計算技術(shù)，可以大大加快序列參數(shù)的優(yōu)化。

(3)為圖像后處理統(tǒng)一的數(shù)據(jù)來源。隨著序列的多樣化，掃描參數(shù)的細分化，磁共振圖像后處理的研究也相應(yīng)在深入發(fā)展，虛擬掃描的引入，使后處理數(shù)據(jù)的來源有了比較標準可靠的理論支持。

(4)系統(tǒng)問題的輔助解決。偽影問題是磁共振系統(tǒng)實際應(yīng)用中最普遍也往往是最復(fù)雜的一類問題，偽影模型的建立[11]，基于虛掃描數(shù)據(jù)和實際掃描數(shù)據(jù)的對比和對系統(tǒng)的理解，可以很好地研究并解決眾多在磁共振成像中的系統(tǒng)問題。

(5)水模、體模的設(shè)計、MRI-man的建立和設(shè)計，已經(jīng)被廣泛提出和研究[12]，虛掃描成為驗證虛擬被掃描物體的有效手段。

1 虛掃描軟件的總體設(shè)計

圖1 虛擬掃描軟件的總體設(shè)計架構(gòu)框圖Fig 1 The overview frame of the virtual MR scanner ftware

如圖1 所示是虛擬掃描軟件的總體設(shè)計架構(gòu)，包括輸入，處理和輸出三塊：

其中，輸入包括模型，序列和系統(tǒng)缺陷。

(1)首先是基于磁共振參數(shù)的虛擬物體(virtual object),包含縱向弛豫時間(T1)，橫向弛豫時間(T2)，質(zhì)子密度( ρ)以及描述空間位置等信息。

(2)其次是MRI序列參數(shù)，包括射頻脈沖(RF pulse),梯度(gradient)，進動(precession),和采樣獲取(acquisition)。

(3)在設(shè)計中可以考慮系統(tǒng)的缺陷問題，比如靜態(tài)場的不均勻性和噪聲，目前虛掃描軟件中最普遍考慮的就是靜態(tài)場B0的不均勻性(ΔB0map)問題。

而處理過程的核心是磁化矢量演算的計算核心(magnetization computation kernel)，這是磁共振虛掃描軟件設(shè)計的核心。

其后再經(jīng)過噪音疊加，濾波(filtering)，圖像重建(reconstruction algorithm)等處理過程，便最終得到虛掃描的輸出即虛掃描磁共振圖像。

2 磁共振虛擬掃描技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用

磁共振成像技術(shù)是一門綜合性學科，涉及到數(shù)學，物理，醫(yī)學，計算機技術(shù)和工程學，這就決定了虛掃描技術(shù)的發(fā)展和各學科的發(fā)展密不可分。

從上世紀80年代開始，就開始提出了基于MRI成像原理和經(jīng)典Bloch方程的仿真算法的模型[13]，還提出了基于掃描器序列架構(gòu)的虛擬掃描軟件[14]，同時用于教學[4,15]，序列參數(shù)優(yōu)化和實驗輔助設(shè)計[16]，同時也開始了系統(tǒng)偽影的模型建立和在此基礎(chǔ)上的虛擬掃描[17]。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，在計算架構(gòu)方面Smith等[18]提出了基于C++算法的虛擬掃描軟件。此后，隨著磁共振虛擬掃描核理論的發(fā)展，計算機技術(shù)和數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展，磁共振應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字虛擬人的發(fā)展，磁共振虛擬掃描技術(shù)也在這幾個方面上不斷地發(fā)展開來：

2.1 磁共振虛擬掃描核理論的發(fā)展

2.1.1 基于經(jīng)典Bloch方程

Bloch方程一直是磁共振成像中最經(jīng)典的理論，因此如何能快速高精度地得到Bloch方程數(shù)值計算近似解，就成為眾多虛掃描算法研究的重點。

St?cker等在2010年開發(fā)了JEMRIS[19]就將Bloch方程的解轉(zhuǎn)換為一般常微分方程的算法解，利用BSD協(xié)議的開源代碼CVODE解方程提高了算法的效率，也使得解方程的常微分方程的升級維護變得更加容易，Jochimsen等開發(fā)的ODIN軟件[20]巧妙利用了被測物體的特性，利用偏微分積分理論簡化了虛擬掃描計算核，在提速的同時提高了計算精度，Kwan等[21]提出利用不同被測物體組織結(jié)構(gòu)不同的特性對不同組織結(jié)構(gòu)分開來計算，也提高了虛擬掃描的計算效率，Stéphane等[22]在2008年提出基于截斷擴展的方式來改進Bloch方程的近似解也提高了Bloch方程解的速度。

2.1.2 基于量子理論

虛擬掃描軟件的另外一個思路就是引入量子物理的原理來演化磁共振過程，陳恩中等[23]于1996年首先提出基于量子物理解釋的通用磁共振仿真算法的思路Kavita等[24]在2000年提出用Quantum computation計算MRI，Blanton等[25]在BlochLib中也收錄了基于這種算法的虛擬掃描軟件，Helgstrand等[26]于2004年發(fā)表的QSim軟件中也利用了這種算法，緊接著，Cai等[27]于2006年提出了基于Quantum模型的仿真算法，2008年的開源代碼SPROM中[28]也使用了類似的算法。但是就總體看，基于量子物理的虛擬掃描磁共振算法由于理論深，相應(yīng)的開源代碼軟件少而沒有成為主流。

2.1.3 基于其他特殊的虛擬掃描核

YO Taniguchi等[29]于1995年提出了基于傳輸矩陣的磁共振掃描模型的建立，提高了計算速度，這也是一種Bloch變形的解法，Petersson等[30]于1993年提出的K-space形成法的思路巧妙地利用快速傅里葉變換的特性和磁共振成像原理，提出了相對獨立的一類虛擬掃描方法，同時也解決了勻速，勻加速流動物體磁共振虛擬掃描模型的建立，同時還提高了虛擬掃描的速度。但是這種算法也受制于掃描的組織類型的個數(shù)的多少，對部分偽影的仿真也存在局限性。Josef等[31]于2002年提出了球坐標系和柱坐標系下的射頻脈沖模型，從坐標模型的角度來計算磁共振成像，對射頻模型提出了新穎的思路。

2.2 計算機技術(shù)的發(fā)展

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，磁共振掃描技術(shù)主要有以下幾個方面的發(fā)展。

2.2.1 基于柵格計算核并行計算技術(shù)的發(fā)展

圖2 基于柵格算法設(shè)計的虛擬掃描算法框圖Fig 2 Algorithm Frame of the Virtual scan based on the Grid Computing

如圖2所示,磁共振虛擬掃描可以做這樣的近似：在梯度空間編碼條件下，存在足夠多小空間被測物體的磁共振現(xiàn)象，而磁共振信號接收視為上述小信號單元累積的宏觀信號的檢測和采集[32]，但是計算機虛擬掃描的計算過程中會產(chǎn)生出二維成像O(N4)，三維成像O(N6)的算法復(fù)雜度。這種算法在虛擬掃描分辨率提高時，計算時間將會快速增加，甚至影響計算效率。

但由于這種成像方式和柵格計算的架構(gòu)極其近似[33-37]，隨著并行計算技術(shù)的發(fā)展，利用MPI，Station Cluster等技術(shù)處理虛擬掃描中的高密度計算核心，使得虛擬掃描時間得到了迅速的縮短[38,39]，也使得三維虛擬掃描和多發(fā)射/接收技術(shù)的虛擬掃描速度提高[19]。

2.2.2 可視化和交互性不斷提高

圖3 ODIN軟件提供的用戶友好的圖形界面Fig 3 User-friendly UI provided by ODIN

如圖3所示，磁共振虛擬掃描很大的一個優(yōu)勢就是可以清晰地觀察到宏觀磁化矢量的演化過程，幫助清晰理解和掌握不同序列的原理，隨著計算機技術(shù)和3D技術(shù)的發(fā)展成為了可能[40,41]，同時交互性也有迅速的提高，越來越多的虛擬掃描軟件允許以拖拽的方式編輯序列[42,43]。

2.2.3 開源代碼運動的擴展

開始的虛擬軟件的代碼由于知識產(chǎn)權(quán)的保護是封閉的[14]，用戶需要付費才能得到代碼。后來由于開源代碼運動的帶動，越來越多的虛擬掃描軟件開始在各種開源協(xié)議下公開代碼，1999年Mark等[44]提出了基于matlab的MRI Toolbox，2003年Blanton等開發(fā)并在其網(wǎng)站上發(fā)布了基于Bloch方程的C++的MRI計算核[25]，Benoit-Cattin等[32]于2004年開發(fā)了多平臺開發(fā)版本的C++虛擬掃描軟件SIMRI，更促進了虛擬掃描迅猛發(fā)展，Jochimsen等[20]在此基礎(chǔ)上改進算法開發(fā)了ODIN，加入了GE和Siemens等機器的序列代碼編寫接口，St?cker等[19]在2010年開發(fā)了JEMRIS，更是廣泛使用了基于GPL協(xié)議的開源代碼。

2.3 磁共振系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展

2.3.1 磁共振系統(tǒng)缺陷的研究

隨對磁共振系統(tǒng)的理解的不斷深入，也對虛擬磁共振掃描的計算核產(chǎn)生了深遠的影響，使得虛擬掃描的仿真度不斷地提高。首先，磁共振系統(tǒng)的場不均勻性是對最后的成像質(zhì)量影響最大的部分，磁共振虛擬掃描系統(tǒng)也在這方面有很多的應(yīng)用，Olsson等[17]于1995年提出了基于場不完美性虛擬應(yīng)用，Hossein-Zadeh等[45]于1998年提出仿真研究場不均勻性的質(zhì)量管理，Belaroussi等[46]于2006年提出基于仿真掃描的場不均勻性校正，Xu等于2006年[7]提出了基于場不均勻性的功能磁共振EPI序列的掃描成像模糊的仿真研究。當然，其他的磁共振成像的系統(tǒng)問題也在不斷地被研究。Sun等[47]于2008年提出了化學位移偽影的仿真，Ma等[48]于2007年研究了系統(tǒng)渦流效應(yīng)的仿真模型，Xu等[8]于2007年報告了運動位移偽影的仿真模型在功能磁共振中的應(yīng)用，Pavel等[11]研究了拉鏈偽影，黑帶偽影等其他許多虛擬參數(shù)相關(guān)的偽影的虛擬掃描仿真。

圖4 允許多線圈成像技術(shù)的JEMRI虛擬掃描軟件Fig 4 Parallel transimit imaging technology based software provided by JEMRI

2.3.2 并行發(fā)射/接收技術(shù)

近年來，為了提高掃描成像的時間成像質(zhì)量發(fā)展了基于多單元的并行線圈技術(shù)，如圖4所示，為了提高射頻激發(fā)場均勻性發(fā)展了多射頻發(fā)射技術(shù)，并行成像技術(shù)的應(yīng)用使得虛擬掃描核發(fā)生了一定的變化[19,49]。

2.4 磁共振應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展

磁共振應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展是飛速的，這也促使了磁共振虛擬掃描的相應(yīng)的發(fā)展和應(yīng)用。

2.4.1 應(yīng)用于MRS

在學術(shù)研究中磁共振譜的研究是最熱門的領(lǐng)域，因此MRS的仿真軟件和仿真模型的建立也是最豐富的Young等[50]于1999年首次提出計算機輔助設(shè)計的MRS仿真模型，并得到了驗證，隨后Bak等[51]于2000年提出了基于固態(tài)磁共振譜的仿真軟件SIMPSON，Nicholas等[52]于2000年提出了虛擬譜儀(The Virtual NMR Spectrometer)，Letourneau等[41]于2003年提出了平臺獨立的圖形化的PJNMR，相關(guān)的虛擬掃描軟件更是多達百余個，難于一一枚舉，MRS主要集中在磁共振一維掃描，特別在化學和材料學方面應(yīng)用廣泛。

2.4.2 應(yīng)用于fMRI

近年來，隨著認知研究領(lǐng)域的不斷發(fā)展，功能磁共振成像的研究越來越熱。實驗人員常常需要預(yù)先設(shè)計一些實驗方案，使得NMR虛擬掃描的需求很多，相關(guān)的文章也有很多的研究。Cox等[5]于1996年首先提出FMRI的功能仿真和分析可視化軟件AFNI，Bagarinao等[9]于2008年提出了動態(tài)分析磁共振數(shù)據(jù)的工具BAX，還有其他一些關(guān)于功能磁共振系統(tǒng)仿真方面的應(yīng)用[5-9]。

2.4.3 應(yīng)用于血流成像

磁共振掃描的研究大多基于志愿者或是體模模型，但是如果是關(guān)于血流和心臟方面的掃描難以用體模替代。因此血流的建模也有不少的研究，Doorly等[53]于1996年提出流速場測量的仿真模型，Petersson[30]于1993提出的K-space形成模型也很好解決了流動物體的問題，Papaharilaou等[54]于2002年提出了動脈系統(tǒng)磁共振仿真的數(shù)值計算模型，Grobelnik等[55]于2007年提出了血流阻塞的磁共振仿真計算。

2.4.4 應(yīng)用于序列參數(shù)優(yōu)化

序列優(yōu)化參數(shù)可以用虛擬掃描的計算機輔助計算得到優(yōu)化Christopher等[56]于2006年提出了利用Liouville Space方法改進NMR實驗參數(shù)的方法。

2.4.5 基于磁共振成像后處理的應(yīng)用

虛擬掃描對后處理也有很多幫助，后處理中涉及到掃描參數(shù)的計算時，可以用虛擬掃描來仿真，Kwan等[57]于1996年提出Post-Processing Evaluation的MRI仿真器。

3 當前磁共振成像虛擬掃描面臨的主要問題

雖然，磁共振成像虛掃描領(lǐng)域的研究頗豐，但是上述的研究還存在以下的一些問題：

3.1 計算核速度較慢

如柵格Grid法雖然解決了Bloch方程近似解的問題，但是也帶來了高算法復(fù)雜度。特別在精度要求很高的三維仿真中，提高計算速度始終是技術(shù)瓶頸。雖然很多的虛擬掃描算法也采用了MPI等并行計算技術(shù)[10,19,28,31-33,36,37,39,42,49,51,58-61]，但計算的成本也會大大增加，難于推廣應(yīng)用。

3.2 虛擬掃描序列受限

對磁共振領(lǐng)域的最新的并行成像技術(shù)，過采樣技術(shù)，欠采樣技術(shù)，基于壓縮感知理論帶來的新序列的支持普遍比較弱，由于算法的限制，K-space的遍歷填充普遍限于笛卡爾坐標系和順序填充?；趻呙鑵?shù)條件的圖像重建的支持不足，重建普遍采用二維傅里葉變換，對如壓縮感知技術(shù)(compressivesensing)的非一致性快速傅里葉變換(NUFFT)等最新技術(shù)還沒有支持。

3.3 系統(tǒng)不完美性仿真存在片面性

很多的虛擬掃描軟件基于對磁共振成像系統(tǒng)問題理解的限制，僅針對場不均勻性等少數(shù)幾個方面對系統(tǒng)進行了仿真。在噪聲模型方面，選擇在K-space加入而且噪聲模型的選擇也比較有限。

3.4 擴展性較差

由于軟件架構(gòu)的限制，對一些新的技術(shù)部件，如新型線圈或其他射頻掃描部件的配置受到了一定得限制。

4 結(jié)論

磁共振成像虛擬掃描技術(shù)一直在隨著虛掃描理論的不斷豐富，數(shù)值計算技術(shù)和磁共振應(yīng)用的不斷更新發(fā)展而發(fā)展。目前遇到的一些問題也將隨著各類技術(shù)的發(fā)展而不斷地得到解決。但是與眾多的邊緣交叉研究領(lǐng)域一樣，磁共振虛擬掃描技術(shù)的不斷改進，對研究人員在磁共振成像原理，數(shù)值計算技術(shù)等方面提出了較高的要求，開發(fā)周期相對較長，可能長期無產(chǎn)出導(dǎo)致過程枯燥。筆者對磁共振虛擬掃描提出了以下一些可能的發(fā)展思路和建議：

4.1 利用最新的數(shù)值計算，并行計算技術(shù)

數(shù)值計算技術(shù)和并行計算技術(shù)在不斷地發(fā)展中，微分方程的數(shù)值新算法，OPENCL，云計算，GPGPU等并行計算技術(shù)正顯示出強大的生命力，Bloch方程的近似解的高精度高速的改進還存在相當大的發(fā)展前景。開源軟件運動的不斷發(fā)展提供了虛擬磁共振成像掃描令人激動的發(fā)展空間和可能。

4.2 密切結(jié)合磁共振系統(tǒng)技術(shù)的最新發(fā)展

磁共振成像系統(tǒng)是一個龐大的系統(tǒng)，其系統(tǒng)問題都有不斷研究的價值，使得虛擬磁共振成像在本質(zhì)上有創(chuàng)新的可能。新的射頻系統(tǒng)，梯度系統(tǒng)，采樣系統(tǒng)等的改進和應(yīng)用也提供了豐富的研究方向。噪聲模型的建立也是一個有趣的研究領(lǐng)域。

4.3 基于磁共振應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展

磁共振應(yīng)用技術(shù)一直是最活躍的研究領(lǐng)域。血流模型，甚至心肺模型的建立對虛擬掃描技術(shù)提出了挑戰(zhàn)和機遇。磁共振應(yīng)用實驗設(shè)計，也需要虛擬掃描提供更方便友好的界面和可視化手段。

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