前言

磁共振成像(MRI)利用核磁共振原行人體成像，可以地獲得組織和器官的解剖結(jié)構(gòu)、生理功能、代謝信息以及病變信息等，是當(dāng)今醫(yī)學(xué)診斷和醫(yī)學(xué)研究中重要的成像方法之一。然而，磁共振成像是一種頻譜成像方法，通過順序采集一維磁共振信號填充高維K空間，數(shù)據(jù)采集需花費(fèi)較長時(shí)間，這成為制約磁共振成像應(yīng)用范圍和使用效率的重要原因�？焖俅殴舱癯上袷侵敢幌盗杏靡钥s短掃描時(shí)間的方。在快速成像技術(shù)出現(xiàn)之前，一組磁共振圖像的獲取往往需要10~20分鐘。如此長的掃描時(shí)間不僅會(huì)給患者帶來不適，而且由呼吸、心搏、胃腸蠕動(dòng)以及某些自主運(yùn)動(dòng)所造成的偽影，使得圖像質(zhì)量嚴(yán)重退化。掃描時(shí)間的縮短，不僅在提高MRI系統(tǒng)的工作效率、消除或減弱運(yùn)動(dòng)偽影的影響方面具有重要意義，更重要的是有利于加強(qiáng)人類對機(jī)體動(dòng)態(tài)過程的認(rèn)識、拓寬成像領(lǐng)域。磁共振動(dòng)態(tài)成像、心臟成像、灌注成像、擴(kuò)散成像和功能成像等都是快速成像的產(chǎn)物�？焖俪上窦夹g(shù)的應(yīng)用，使得三維磁共振成像成為一種實(shí)用的成像方法。自磁共振成像出現(xiàn)以來，人們一直在探索快速成像的方。20世紀(jì)80~90年代，研究者致力于通過高密度的射頻脈沖和高強(qiáng)度、高切換率的梯度磁場實(shí)現(xiàn)快速掃描序列來提高成像速度并獲得巨大的成功。同時(shí)，為了加快動(dòng)態(tài)磁共振成像的速度，人們開發(fā)了許多利用空-時(shí)冗余的k-t技術(shù)。20世紀(jì)90年代，隨著相控陣線圈技術(shù)在磁共振成像中的應(yīng)用，人們開始研究并行磁共振成像技術(shù)(Parallel MRI，pMRI)，該技術(shù)采用多通道線圈同時(shí)欠采樣，利用線圈敏感度編碼實(shí)現(xiàn)磁共振圖像的重建。21世紀(jì)初，并行磁共振成像技術(shù)開始應(yīng)用到臨床并被廣泛接受，成為許多應(yīng)用的必要條件。在信號采集與處理領(lǐng)域，2006年提出的壓縮感知(Compressed Sensing，CS)理論為縮短磁共振成像數(shù)據(jù)采集時(shí)間提供了新的思路。2007年，Lustig等對CS理論用于加快磁共振成像速度的可行行了深入分析，開啟了CS理論用于快速磁共振成像的探索研究工作，稱為CS-MRI。2017年，CS-MRI的臨床應(yīng)用獲得了美國食品藥品監(jiān)督管理局(Food and Drug Administration，FDA)的批準(zhǔn)年來，受深度學(xué)習(xí)在計(jì)算機(jī)視覺和圖像處理等領(lǐng)域取得重大突破所啟發(fā)，國內(nèi)外學(xué)者開始將其用于醫(yī)學(xué)快速成像并取得一些初步的研究成果。深度學(xué)習(xí)方法為快速磁共振成像的能提升提供了新的契機(jī)，提供了一種可能改變該領(lǐng)域的圖像重建新范式，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。在基于壓縮感知和深度學(xué)習(xí)的快速磁共振成像領(lǐng)域，國內(nèi)學(xué)者取得了許多優(yōu)秀的研究成果。是在基于深度學(xué)習(xí)的快速磁共振成像方行了一些開創(chuàng)的工作。但目前國內(nèi)尚缺少一本系統(tǒng)介紹快速磁共振成像的著作，為一步推動(dòng)國內(nèi)快速磁共振成像的發(fā)展和更好行同行之間的交流，作者十年給研究生講授“磁共振成像”的講稿及在快速磁共振成像領(lǐng)域取得的部分研究成果基礎(chǔ)上撰寫了本書，全書共6章。第1章簡單介紹了核磁共振原理和磁共振成像的一般原理，是后續(xù)章節(jié)的基礎(chǔ)。第2章主要圍繞快速自旋回波、快速梯度回波和回面成像三大快速脈沖序列家族展開，分別討論了它們的脈沖序列組成、加速原理、對比度的形成機(jī)制和特點(diǎn)等，并簡單介紹一些其他加快磁共振成像的技術(shù)。第3章首先簡單回顧了并行磁共振成像的發(fā)展歷史并簡述了并行磁共振成像的基本概念；然后對基于圖像域的并行成像重建方法、基于K空間域的并行成像重建方法、基于K空間域子空間約束的并行成像重建方法以及同時(shí)多層面成行了詳細(xì)的討論。第4章首先簡單介紹了壓縮感知的基本理論；然后分別介紹了壓縮感知磁共振成像的一般原理、壓縮感知并行磁共振成像和壓縮感知?jiǎng)討B(tài)磁共振成像；同時(shí)也詳細(xì)介紹了作者在基于自適應(yīng)字典學(xué)習(xí)和卷積稀疏編碼的快速磁共振成像上取得的部分研究成果。第5章首先簡單介紹了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)以及常用深度學(xué)習(xí)方法；然后介紹了幾種典型的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和基于模型驅(qū)動(dòng)的有監(jiān)督深度學(xué)習(xí)快速磁共振成像方法；對四種無監(jiān)督先驗(yàn)學(xué)習(xí)方行了較詳細(xì)的討論和實(shí)驗(yàn)比較，展示了作者在增強(qiáng)的去噪自編碼網(wǎng)絡(luò)和基于流模型可逆生成網(wǎng)絡(luò)的快速磁共振成像方面的部分研究成果；最后概述了三種具有一定代表的自監(jiān)督深度學(xué)習(xí)快速磁共振成像方法。第6章以動(dòng)態(tài)磁共振心臟成像為例，討論了各種快速磁共振成像技術(shù)在心臟動(dòng)態(tài)電影成像和心肌灌注成像中的應(yīng)用。本書承蒙伊利諾伊大學(xué)香檳分校梁志培教授、南方醫(yī)科大學(xué)陳武凡教授、上海交通大學(xué)駱建華教授、深圳研究院梁棟研究員和王珊珊副研究員、廈門大學(xué)屈小波教授等審閱并提出了許多寶貴意見，南方醫(yī)科大學(xué)的康立麗教授對全行了審校，出版社的編輯人員對本書提出了許多好的修改意見。本書在出版過程中得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(編號：61661031和61871206）的資助。研究生朱婉情、楊瑩、官瑜、鄭海玉、鄧濤、李赫辰、呂啟聞和洪凱等參與了本書的整理工作，在此一并表示衷心感謝！由于作者有限，本書難免存在遺漏之處，懇請廣大專家和讀者批評指正。

作者

2021年4月