2021年11月25日，受上海科技大学生物医学工程学院 (上科大生医工学院) 助理教授齐海坤的邀请，英国伦敦国王学院生物医学工程学院 Rene Botnar 教授做客上科大生医工学术讲座，分享了题为 “多参数心血管磁共振成像：一体化解决方案” (Multiparametric Cardiovascular Magnetic Resonance Imaging: All in One) 的学术演讲。
Botnar 教授是国际心脏磁共振成像领域知名专家，英国伦敦国王学院专注临床前和多模态成像转化的心脏磁共振成像研究项目创建者，智利天主教大学 (Pontificia Universidad Católica de Chile) 生物医学工程研究所和电气工程系兼职教授，国际医学磁共振成像学会和心血管磁共振学会会士，也是 ISMRM 心脏磁共振研究组的主席。他是 Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance, Molecular Imaging and Biology, Frontiers in Cardiovascular Medicine 的副主编，在心血管磁共振成像领域发表了340多篇 SCI 文章，获得了12项专利。
在讲座中，Botnar 教授首先介绍了心血管疾病的极大危害，并由此引出磁共振成像技术在心脏疾病诊断上的价值。在欧洲，男性和女性分别有40%和49%的死亡是由心脏疾病导致的，其中有50%起源自冠状动脉疾病。在英国有超过100万人患有房颤，面临着中风而死亡的风险。在中国，国家心血管中心2020年的统计数据显示，估测每年心脏性猝死者高达54.4万，心脏疾病现患人数达到3466万。
欧洲人各类疾病致死占比
磁共振成像具有非侵入、无辐射、软组织对比丰富等优点，为心脏疾病的诊断带来极大帮助。但心脏磁共振成像也面临一些挑战，比如扫描定位复杂、空间分辨率低、扫描和重建时间长、冗余信息利用率低等问题。多参数磁共振成像技术将有希望解决上述问题，它可以在短时间内 (<10分钟) 得到多种对比度图像。相比之下，用传统扫描方法依次得到同样多种对比度的图像则需要45-60分钟。Botnar 教授指出了理想的多参数成像技术的特征：自由呼吸状态下扫描 (无需屏气)、定位简单、高分辨率全心脏成像、多对比度。而为实现上述技术，必须解决运动伪影和欠采样带来的混叠伪影这两大问题。
多参数心脏磁共振成像技术流程
接着，Botnar 教授介绍了其团队开发的一系列可在自由呼吸状态下进行的基于图像导航 (iNAV) 运动矫正的心脏磁共振成像技术。为了加速扫描，成像过程采用了降采样，通过团队开发的基于图像块的三维低秩重建技术 (3D Patch-based low-rank reconstruction, PROST)，利用图像中局部和非局部的冗余信息重建出高质量的三维图像。其中 iT2prep-IR 血管壁成像技术可以实现急性冠状动脉血栓和斑块可视化，具有极高的临床诊断价值；心肌 T1rho 测量有望实现无造影剂心肌梗死的检测。
利用 iT2prep-IR 技术实现
急性冠状动脉血栓可视化
Botnar 教授还给大家介绍了一系列基于深度学习的心脏图像重建和运动估计的工作。一般说来，基于传统的压缩感知重建方法，可以实现大约5倍的加速采样，但其重建过程需要花费较长时间 (从几分钟到两小时) ；而基于深度学习的技术可以达到九倍以上的加速采样，且重建过程可以在30秒以内完成。Botnar 教授介绍了他的团队在九倍降采样的自由呼吸冠状动脉血管造影图像 (CMRA) 上实现的重建和非刚性运动矫正工作，提出了基于端到端学习的图像重建和运动场估计方法，整个重建过程仅需22秒。
基于深度学习的 3D 自由呼吸冠状动脉
血管造影图像 (CMRA) 加速重建技术
随后，Botnar 教授介绍了另一种加速采样策略，该策略结合生成对抗网络 (GAN) 来辅助超分辨率重建。基于这种方法，仅需1分钟时间采样得到的低分辨率图像经过超分重建后，可在图像质量上类似传统需10分钟时间采样的高分辨率图像；Botnar 教授认为这种方法得到的结果的鲁棒性仍需提升，但将是一个很好的研究方向。
基于深度学习的 3D CMRA 超分辨率重建
运动估计可以减少 MR 采集过程中由于运动会产生的伪影，为了估计运动场，一般先从降采的 k 空间重建得到清晰的图像，再对图像配准估计运动场。Botnar 教授研究组提出了一种更有挑战性的策略，即训练一个深度学习网络，从降采的 k 空间中直接估计非刚性运动，这种算法可以规避图像域中由于降采产生的混叠伪影对运动估计的影响，得到的运动场明显优于从图像域进行运动场估计的结果。
从降采 k 空间直接估计运动场
与从图像域估计运动场的效果对比
最后，Botnar 教授系统地讲解了心脏磁共振指纹成像 (Fingerprinting) 技术。磁共振指纹成像技术是一种全新的定量磁共振成像方法，它可以在单次采集中同时获取多种组织参数，节省采集时间的同时还可以实现更加客观的心肌组织诊断。在报告中，Botnar 教授先是介绍了指纹成像的框架，接着分别讲解了 T1、T2、T1rho 心脏指纹成像，T1、T2、T2* 和脂肪分数心脏指纹成像，T1、 T2、 T1rho、 T2* 和脂肪分数肝脏指纹成像的技术要点及成像特征。
磁共振指纹成像技术框架
联合 T1、 T2 和 T1rho 的心脏磁共振指纹成像
在讲座最后，Botnar 教授为大家介绍了他的团队成员，展示了丰富多彩的团队活动。讲座结束后，大家与 Botnar 教授就报告内容进行了充分的讨论互动。
Botnar 教授团队成员和丰富多彩的团队活动
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