港大团队研发低成本MRI：深度学习提升超低场影像质量

港大团队研发低成本MRI：深度学习提升超低场影像质量

磁共振成像（MRI）技术自问世以来，以其无创、高分辨率和多参数成像的特点，彻底改变了现代医学的诊断方式。每年全球进行超过1.5亿次MRI检查，广泛应用于肿瘤、中风、神经、肝胆、胰腺和肌肉骨骼系统等疾病的诊断和预后。然而，这项技术也面临着高昂的成本和有限的可及性问题。最近，香港大学团队在《科学》期刊发表的一项突破性研究，为解决这些问题带来了新的希望。

MRI技术的核心在于其强大的磁场和复杂的射频系统。整个系统主要由三大核心部分组成：主磁体、梯度系统和射频系统。

主磁体是MRI设备的核心，用于产生一个均匀且强大的磁场。这个磁场的强度通常在0.5到3特斯拉之间，1特斯拉等于10000高斯，而1高斯相当于5安培电流流过距离1厘米的铜线所产生的磁场强度。主磁体的磁场强度直接影响到图像的信噪比，强度越高，图像质量越好。

梯度系统则负责空间定位。它通过在X、Y、Z三个方向上施加线性变化的磁场，使得不同位置的氢质子具有不同的共振频率，从而实现空间编码。梯度系统的性能指标包括梯度场强和切换率，即达到设定场强所需的时间。

射频系统则负责激发和接收信号。它通过发射特定频率的射频脉冲，使氢质子发生共振，然后接收这些质子在弛豫过程中释放的能量。射频线圈的设计直接影响到信号的强度和图像的质量。

人体组织中含有大量的水分子，每个水分子中的氢原子核（质子）在静磁场中会沿着磁场方向排列。当射频系统发射与质子共振频率相同的射频脉冲时，质子会吸收能量并发生偏转。射频脉冲关闭后，质子会逐渐回到原来的状态，这个过程称为弛豫。在这个过程中，质子会释放能量，形成可以被接收线圈检测到的MR信号。

通过分析这些信号，可以获取组织的多种信息，包括质子密度、纵向弛豫时间（T1）和横向弛豫时间（T2）。这些参数反映了组织的物理和化学特性，是生成高对比度图像的基础。

MRI技术在医疗诊断中的应用非常广泛。例如，在神经系统疾病诊断中，MRI可以清晰地显示脑组织的细微结构，帮助医生发现肿瘤、梗塞、出血和炎症等病变。在肌肉骨骼系统中，MRI能够提供关节、韧带和软骨的详细图像，对于运动损伤的诊断非常有帮助。此外，MRI在心血管系统、腹部器官和乳腺等部位的检查中也发挥着重要作用。

然而，MRI技术也面临着一些挑战。首先，设备成本高昂。一台标准的高场MRI扫描仪价格动辄数百万美元，而且需要专门的机房和屏蔽设施。其次，操作复杂。MRI扫描需要专业的技术人员和严格的患者准备流程。最后，可及性有限。据统计，全球约有7万台MRI扫描仪，主要集中在发达国家，低收入国家每百万人仅拥有0.7台扫描仪，远低于美国和日本的40台和55台。

针对这些挑战，香港大学吴学奎团队开发了一种创新的超低场MRI扫描仪。这种扫描仪使用0.05特斯拉的永久磁铁，远低于传统扫描仪的1.5到3特斯拉。更重要的是，它通过深度学习技术消除了电磁干扰，实现了无屏蔽操作，可以直接连接标准墙壁电源插座使用。

研究团队在各种人体解剖结构上测试了这种新型扫描仪，包括大脑、脊椎、腹部、肺部、肌肉骨骼和心脏等部位，成功获得了清晰的图像。通过深度学习重建技术，图像质量得到了显著提升，达到了与高场MRI相当的水平。

这种新型扫描仪具有低功耗的特点，扫描时功耗低于1800瓦，闲置时仅需300瓦。每个成像序列的扫描时间设计为8分钟或更短，图像分辨率约为2x2x8毫米³。这些特点使得该扫描仪非常适合在资源有限的医疗环境中使用，有望大大改善全球范围内的医疗可及性。

这项突破性研究为MRI技术的未来发展开辟了新的方向。通过降低设备成本和使用门槛，超低场MRI扫描仪有望在更多医疗机构普及，特别是在低收入和中等收入国家。这将有助于缩小全球医疗保健差距，让更多患者受益于这项先进的诊断技术。

此外，深度学习等人工智能技术的应用，不仅提高了图像质量，还为未来的个性化医疗和精准诊断提供了可能。随着技术的不断进步，我们有理由相信，MRI技术将在未来的医疗保健领域发挥更加重要的作用。

MRI技术的每一次进步，都是人类智慧的结晶。从最初的高场超导磁体到现在的超低场深度学习驱动扫描仪，这项技术正在变得越来越普及和智能化。我们期待着这项技术能够为全球医疗保健事业带来更多的突破和创新。