ISMRM 2024特别报道 (七): 探秘“终极疆域”!0-6岁婴幼儿脑发育队列脑计划项目取得突破性成果

文摘   科学   2024-04-16 00:08   美国  


uMR&ISMRM

04-09 MAY 2024


联影磁共振与您 共向未来!



前言 FOREWORD

联影磁共振致力于汇聚全球智慧,与科学界、医学界和工业界建立了一种创新的合作伙伴关系。通过深度融合设备研发与制造、学术与科研以及临床诊断与治疗,联影磁共振与合作伙伴共同推动磁共振成像的创新与进步。

联影磁共振科学家与全球客户深度合作,在2024 年 ISMRM (国际医学磁共振学会年会) 投稿上取得令人瞩目的成绩!本期将详细介绍上海科技大学在 2024 年 ISMRM 中稿的 0-6 岁婴幼儿脑发育队列脑计划项目摘要。



脑科学

uMR 890

探秘“终极疆域”


在科研中,对人类大脑的研究,被称作是自然科学的“终极疆域”。十四五规划中,“脑科学”被列为国家战略性前沿科技与研究方向。2021 年,体现国家层面脑科学研究布局的科技创新 2030—“脑科学与类脑研究”重大项目正式启动,由上海科技大学生物医学工程学院主导的儿童青少年脑智发育是其中首批涵盖的 5 个方面之一。

人脑有近 1000 亿个神经元和 100 万亿个连接,研究人脑,高清图像的数据采集是基础条件。在磁共振的脑功能和神经科研中,常用的序列包括 BOLD,DWI,ASL 等。这些序列从功能、神经结构、脑灌注等方面对大脑进行研究,它们一般都使用高效的图像采集方式 (比如 EPI),同时还要求强梯度 (DWI) 和强脉冲 (ASL),且连续采集时间长,这些都对磁共振的整体性能有着极为严苛的考验,而能否适用于脑科学研究则成为检验磁共振性能的最高标准。

上海科技大学于 2023 年引进联影超高性能科研型磁共振 uMR 890,搭载基于人工智能的 uAIFI “类脑”平台,进行脑科学的探索,实现了国产大装备与国家前沿科学研究双向赋能,解析人脑奥秘


uMR 890

上科大脑计划摘要一览

上海科技大学是由上海市人民政府与中国科学院共同举办、共同建设,由上海市人民政府负责日常管理的全日制普通高等学校。自建立以来,学校努力建设和发展成为一所小规模、高水平、国际化的研究型、创新型大学。近期,上海科技大学生物医学工程学院在 0-6 岁婴幼儿脑发育队列脑计划项目的研究成果在 2024 年 ISMRM 上中稿!这些成果集中于婴幼儿脑部成像,今天,让我们一起揭秘人脑发育!


ACS加速的高分辨婴幼儿结构成像

RESEARCH ACHIEVEMENT

摘要: 《A Comprehensive Quality Assessment on AI-assisted Fast MRI Acquisition for China Baby Connectome Project (CBCP)》(摘要号: 2808)

获取高质量的婴儿脑部 3D 结构像 MRI 受限于较长的采集时间,是婴幼儿神经科研的挑战之一。中国婴幼儿脑智发育队列项目组 (CBCP) 基于联影 AI 辅助压缩感知加速 (ACS) 技术优化了 3D T1 FSP 扫描参数,并系统评估了该技术在婴幼儿神经科研采集的有效性和可行性。

该项目采用 uMR 890 磁共振系统及 64 通道头线圈,利用两组人群进行验证。第一组是 24 个健康成人 (19-24 岁),分别用常规并行采集 2 倍加速 (P2) 和 ACS 技术 3.22 倍加速 (ACS3.22) 进行 0.8 mm 各向同性成像,采集时间分别为 6:39 min 和 3:46 min,对两组图像质量进行全面对比。第二组采用 ACS 采集了 73 个 (0-5 岁) 婴幼儿,与年龄/性别相匹配的 BCP (美国的婴幼儿脑连接组项目) 进行发育轨迹比对。

成人组视觉评分发现两种技术在噪声、伪影、对比度、整体图像质量无显著性差异。MRIQC 软件的计算结果发现 ACS 的 SNR、CNR 和 Qoala-T 评分优于并行采集。基于表面的几何测量显示 P2 和 ACS 之间的皮层厚度、面积、曲率和脑沟深度几乎没有差异 (见下图)。区域 ICC 值表明各指标非常一致 (53.3% 的 ICC 值超过 0.9),皮层区域的平均 ICC 得分最高 (0.94)。

图注: P2 和 ACS 之间四个几何特征 (a,厚度,b,面积,c,曲率和 d,脑沟深度) 基于表面的顶点比较。暖色表示与 ACS 相比,P2 的值显着更高 (顶点 p<0.001,聚类p<0.05),反之亦然;底部:左右半球基于表面的区域测量的 ICC 值(一致性)。

在婴幼儿组,绘制 CBCP (ACS 扫描) 和匹配的 BCP 婴儿 (P2 扫描) 的全脑发育轨迹,排列检验显示两条曲线之间无显著差异。

图注: 全脑容积发育轨迹 CBCP 采用 ACS 加速技术 (3:46 min),BCP 采用并行采集 (6:38 min)

这项研究证明了 ACS 在采集时间较常规技术减半的情况下,获得足够优秀的图像质量。以此为依据,中国脑计划 0-6 岁婴幼儿队列 CBCP 将 ACS 加速的高分辨率结构像作为标准采集方案。



ACS加速的MTP采集方案

RESEARCH ACHIEVEMENT

摘要: 《Optimizing and Evaluating Fast 3D MulTiPlex (MTP) imaging for Infant Brain Imaging》(摘要号: 4308)

MTP (Multiplex,多参数定量成像技术) 是一种新颖的 3D 高分辨率多对比定量成像技术,可以在一次扫描内生成多定量 (T1、T2*、质子密度 (PD)、定量磁化率映射 (QSM)) 及多对比度图像。这些不同信息能够间接反映大脑水、铁、髓鞘等与大脑发育密切相关的信息。联影 ACS (AI 辅助加速技术) 通过深度学习的方法能够进一步地提高空间分辨率或缩短扫描时间。ACS 加速的 MTP 的测试重测信度尚未被探索。

中国婴幼儿脑智发育队列项目组 (CBCP) 系统评估了 MTP 的重测信度。采用 uMR 890 及 64 通道头线圈进行成像,10 名健康志愿者 (19-24 岁) 间隔 10 天进行 MTP 采集。采集关键参数为 TR = 9.09/38.61 ms,TE = 3.64/965/13.29/19.3/22.94/28.95 ms,翻转角 = 4/16,体素大小 = 0.8×0.8×1.6 mm3,视野 = 230×190×144 mm3,ACS 加速因子 = 4。

研究发现在 PD 、T2*、T1、和 QSM 的皮层 ROI 中,94.1%、44.1%、89.7% 和 47.0% 的人表现出良好的信度 (ICC≥0.75)。在 T2* 和 QSM 的 68 个 ROI 中,仅有 4 个和 11 个观察到较差的可靠性 (ICC<0.4)。对于皮层下区域,ICC 低于 0.4 仅在 T2* 的 4 个 ROI 中发现。

表注: MTP 定量图的 ICC 分值

将 MTP 用于婴幼儿发育研究初步图像结果,其随年龄的差异,可以推测水、髓鞘及铁的发育变化。

图注: 不同年龄的儿童的 MTP 定量图展示

该研究验证了 MTP 定量图像的重测信度,并初步证明 MTP 技术对描记婴幼儿脑发育轨迹有所帮助。CBCP 项目决定将 AI 加速的 MTP 采集方案应用于数据采集。

uMR 890

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