如今，中国的高端医疗装备产业，产学研医并肩创新，开启了一场以“超越”为关键词的自主创新之路，共筑新时代的国之重器。这其中，科研工作者是永攀科技高峰的“先行者”，不断实现“从 0 到 1 ”的坚守和突破，是中国高端医疗装备产业从跟跑、并跑到转向领跑的重要力量。
为此，联影筹划推出“磁共振物理大师说”系列访谈，包括心脏、高梯度性能神经影像、运动校正、多模态融合成像等主题，向读者介绍具有国际视野和顶尖技术的磁共振物理学家们的观点，洞察行业前沿动态，让更多的磁共振领域同道相互吸引凝聚， 构建更加开放的创新生态。
在本期《定量磁共振大师说》中，我们邀请上海交通大学杜一平教授，共同探讨定量磁共振成像技术的现状与未来。
科研经历:
杜一平教授在美国犹他大学攻读博士期间开始从事磁共振成像技术的研究。他于 1995 年获得博士学位，同年进入磁共振产业从事 MRI 技术研发。2000 年任教于芝加哥大学。2002 年起在科罗拉多大学历任副教授、教授和脑影像中心技术主任。2010 年入职浙江大学，担任生物医学工程学系主任等职。获得“十二五”支撑计划、“973” 国家自然科学基金等研究经费资助。2016 年加入上海交通大学，筹建医学影像研究院，开展医学影像领域的前沿技术研发。杜一平教授曾是海外华人磁共振学会前任会长、中国医疗装备协会磁共振专委会前任副主任委员。主要研究领域为快速磁共振成像、定量磁共振成像、动态磁共振成像、图像重建算法。
观点摘要
针对我国国情和人民健康问题，我们需要特别关注我国高发的胸腹部肿瘤。课题组开发的快速扫描序列实现了自由呼吸下的成像技术，并注重成像的定量化。传统磁共振成像技术难以应对我国的大体量医疗需求，高倍加速的多参数成像将是未来发展趋势之一。为了应对人工智能对计算能力的高需求，应当将磁共振设备的架构从传统的本地计算转向云计算或共享计算设施，以降低成本、提高效率，使这些技术更广泛地应用于基层和偏远地区。磁共振成像研究的最终目标应是服务于人类健康，通过技术创新切实改善病患的诊治和生活质量。
uInnovation：杜教授您好，感谢您有时间接受我们的《磁共振物理大师说》系列专访。您在磁共振领域深耕多年，在美国和中国都有着丰富的科研、教学的经历。能分享一下十四年前您选择回国的原因吗？
杜一平教授：
感谢你们的邀请。在 2010 年回国前我做了多方面的思考。参与国际华人磁共振学会（OCSMRM）工程物理培训教学活动的经历让我意识到，国内磁共振领域与国外的差距主要在设备和技术创新上。那时我们的民族企业只能生产低场永磁设备，使用的谱仪基本依赖进口，中高端成像序列严重匮乏。此外，更大的挑战还在于行业内缺乏自主研发的平台和年轻的技术人才。国内的学生和年轻工程师们对磁共振有很高的热情，但他们的基础比较薄弱，创新性研发能力仍需大力培养。
中国作为人口大国，不能依赖国外企业满足我们的诊疗需求。我们必须壮大自己的民族企业，在高端技术上缩小与国际的差距，同时注重开发能够满足我国诊疗需求的特色技术。为了实现这个远景，加强教育与培训是关键。只有培养出一批掌握前沿技术的高水平工程师，才能振兴中国的磁共振事业。回国进行人才的培养、推动磁共振技术发展，是我最大价值所在，这也是我全心投入这项事业的初衷与动力。
uInnovation：感谢杜教授，我们能够看到您已经为整个行业培养了大量的磁共振物理顶尖人才。能再介绍一下您目前的上海交通大学课题组具体的研究方向吗？
杜一平教授：
我经常思考如何针对中国国情开展磁共振研究。由于癌症的发病人数众多、对家庭与社会的危害巨大。我希望通过核磁新技术研发和普及，实现肿瘤早诊早治。
中国前七位致死率最高的肿瘤都集中在胸腹部。譬如 2022 年就有 73 万人因肺癌死亡[1]。最近，国家提出了创新医防协同、医防融合机制的战略，对癌症等重大疾病早期筛查提出了更高的要求。癌症的基层筛查尤为紧迫。如果我们能够提供适用于基层筛查的磁共振技术，积极配合国家的大健康战略，可望大幅降低癌症死亡人数。我认为，癌症筛查除了需要降低成本之外，在成像上还需要满足三个要求：扫描快捷、无需造影剂注射、无需屏气。基于这个理念，我课题组的技术研发以加快扫描速度为主要目标，减少对患者的配合要求，我们开发的序列能够实现自由呼吸下的扫描检查。同时我们聚焦定量成像，克服单纯依赖图像对比度进行诊断的效果不足问题。通过定量成像能更有效地提高诊断灵敏度和准确性，甚至有望减少精准肿瘤诊断对造影剂注射的依赖。我们的目标是在几分钟内实现多模态、多参量的成像扫描，大大提高磁共振对病患的检查服务能力，并有效降低检查成本，为加大磁共振在基层和偏远地区的覆盖提供技术能力。这个目标的实现，关键是先进序列开发，并将人工智能用于高倍欠采样数据的图像重建。我们的研究从脑开始，到胸腹部，都在逐步推进。
杜一平教授课题组合影
uInnovation：您课题组最新的研究成果，仅需 2 分钟扫描便可提供准确的三维全脑多参数定量成像的工作，在国际著名神经影像期刊《NeuroImage》 上发表。这项新技术突破了哪些技术瓶颈，具有哪些临床应用优势？
杜一平教授：
我们课题组正在研究多参数定量磁共振成像，特别是在脑部的多参量定量磁共振。我们最近这项工作采用的技术路径是结合辐射条（radial）采样与人工智能算法来进行图像重建[2]。这样可以在较少采样时间和较少数据的情况下获得更高质量的图像。
我们首先选择从脑部开始研究，因为脑部的运动相对容易控制，可以基本保持静止。同时，业界在脑部多参数定量领域已有较多的经验积累。我们课题组采用的 stack-of-stars 的 3D 辐射条轨迹进行高倍稀疏采样，并结合多回波采样和重建，可以获得一系列的定量参数。在提高成像速度方面，如对于 40 层的全脑扫描，全采样时间大约为 24 分钟，可以获得 T1、髓鞘水分数、T2*、QSM、SWI 以及动脉血管的三维可视化等参数。进一步，通过先进的重建算法，我们实现了 12-18 倍的加速效果。根据估计，12 倍的加速序列有望满足临床对多参数定量的需求，非常令人兴奋！
目前，通过创新的序列设计和图像重建技术，我们能够在两分钟内完成全脑多参数定量序列的扫描。虽然未来还需要更多的临床实验来验证其可靠性，但目前这些结果已经显示出了未来应用的可行性和前景。
杜一平教授课题组提出来的全脑多参数定量序列，可以实现 2 分钟的扫描，得到六种定量图像。相比较传统的笛卡尔全采样和 stack-of-stars 的方法，该技术能够提高 12-18 倍的采集速度。
uInnovation：近年来，AI 广泛应用与快速成像算法当中。如何确保 AI 重建得到的图像的准确性，以及如何应对 AI 带来的高计算量问题，您的观点是什么？
杜一平教授：
通过成像技术实现胸腹部肿瘤的早期筛查，对国家的大健康战略意义重大，而这项工作的突破，必须要依靠人工智能的全链条赋能，尤其是图像采集端的人工智能赋能。尽管加速会带来一定程度的图像质量下降，但我们在临床上寻求的是能够带来可靠诊断结果的技术，而非追求完美。由于我们已掌握许多脑部成像参数（如T1、T2值等）的正常值范围，我们会将新技术（如包含加速重建算法的扫描结果）得到的参数值与笛卡尔经典方法得到的参数值进行比较，评估其一致性。我们会通过对疾病检测能力进行严格比较，评估加速采样与传统慢速采样或非定量技术的差异。
在磁共振领域应用 AI 时，面临的两大挑战包括重建速度慢和样本量不足。为应对这两个问题，我们课题组采用了无监督的神经网络，这使得研究在样本量不足的情况下仍然可以进行。但有监督的算法在性能上优于无监督算法，在采用有监督的算法时，每层图像的重建速度可以在 50 毫秒内完成，具有临床实用性。所以，我们期待在未来进一步突破样本量和计算力的限制后，能够实现更快、更准确的图像重建，并最终将这项技术应用于临床。
杜一平教授课题组开发的肺部四维动态磁共振成像技术，可以在自由呼吸状态下，获得的肺部动态图像。
uInnovation：利用 MRI 进行髓鞘水成像，您多年前的研究成果在这个领域起了非常重要的作用。您认为髓鞘水成像在这 20-30 年的发展过程中主要解决了哪些问题，未来的发展方向是什么？
杜一平教授：
在上世纪 90 年代，磁共振成像技术开始用于髓鞘水的定量研究，但当时的技术只能在 1.5T 磁场下，通过自旋回波以 28 分钟的时间扫描一个层面。这样的扫描速度是缺乏广泛临床应用前景的。针对这个问题我开发了一种基于梯度多回波的技术，可以实现在 8 分钟内扫描 8 个层面，实现了 25 倍的速度提升[3]。
如今，我们实验室进一步优化了这项技术，能够在两分钟内完成 40 层的扫描[2]，与过去相比，速度又提高了几十倍。这一突破不仅提升了髓鞘水成像的速度，还可以应用在多发性硬化、阿尔茨海默病等疾病的检测中。利用磁共振的髓鞘水成像检测为研究脑白质的退化、婴幼儿的发育等提供了新的工具和角度，推动了对脑白质相关疾病的深入探索。
uInnovation：您一直致力于磁共振定量技术的创新，目前您觉得磁共振的序列和设备，未来是一些哪些展现形态？
杜一平教授：
传统的磁共振成像技术依赖的重建方法比较简单，计算相对直接。然而，面对人工智能时代的高速发展，单靠本地设备的计算力已经无法满足不断增加的先进重建需求。我们需要重新审视磁共振设备的构架，将计算任务更多地转移到远程或共享的计算设施上，例如云计算或大型计算中心。这样不仅可以降低计算成本，还能解决设备在基层推广时的性能限制。
我认为可以将磁共振设备视作一个传感器，仅负责数据采集。复杂的计算重建工作交由外部强大计算资源处理，磁共振系统能够提升整体的成像效率，同时也能够兼容 AI 算法的快速更新迭代。这种架构可以大幅降低设备成本，使磁共振技术更轻便、普及，并能够服务于更广泛的基层和偏远地区。
杜一平教授提出的磁共振传感器概念拓扑图
uInnovation：您在工业界和学术界都有丰富的工作经历。目前国内对磁共振技术感兴趣的同学越来越多，对于有志于从事磁共振成像研究的年轻研究者，您有什么建议？
杜一平教授：
医学影像领域的研究目标是解决人类健康问题。年轻人在进入这个领域时既需要扎实的技术基础，也需要有深刻的人文情怀。我们的目标是把开发出来的技术应用到实际中，帮助千千万万的疾病患者，通过疾病的早期检查来减少疾病带来的痛苦。当我们把自己的工作与服务的对象结合起来时，才会有持久的激情来推动这项事业的发展。代码编写和图像处理并不是磁共振研究的核心，如何利用这些技术真正服务于“人”，如何解决重大健康问题才是关键。当我们在选择研究方向时，也应考虑这些技术是否能够最终服务到“人”。采纳先进技术固然重要，但它必须有明确的目标，最终的成果是否能够有益于人类健康，这些才是我们要关注的。
在这个过程中，我们需要掌握多方面的知识，如生理学、病理学等。当我们意识到人民健康所面临的问题时，会激发我们继续前行的动力。当我们以解决人类健康问题为目标，内心自然会产生驱动力，并从中找到快乐与满足。当我们能够对后代、对朋友介绍我们的工作是为了人类健康做出了一些添砖加瓦的贡献，一定是会感到幸福和满足的。
杜一平教授课题组成果报道：
参考文献：
[1] Han B, Zheng R, Zeng H, et al. Cancer incidence and mortality in China, 2022. J Natl Cancer Cent. 2024;4(1):47-53.
[2] Feng W, Ding Z, Chen Q, She H, Du YP. Whole brain multiparametric mapping in two minutes using a dual-flip-angle stack-of-stars blipped multi-gradient-echo acquisition. Neuroimage. 2024;297:120689.
[3] Du YP, Chu R, Hwang D, et al. Fast multislice mapping of the myelin water fraction using multicompartment analysis of T2* decay at 3T: a preliminary postmortem study. Magn Reson Med. 2007;58(5):865-870.
