目標(biāo)10倍速！Facebook和紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院合作研究以縮短MRI成像時(shí)間

　　近日，來(lái)自Facebook人工智能研究(FAIR)小組的Larry Zitnick和來(lái)自紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Daniel Sodickson，M.D.，Ph.D和Michael Recht，M.D合作推出了fastMRI項(xiàng)目。

　　fastMRI是一個(gè)新的合作研究項(xiàng)目，其目的是運(yùn)用AI將MRI掃描速度提高10倍。如果這項(xiàng)工作取得成功，醫(yī)生可以節(jié)約時(shí)間接待更多的患者。

　　MRI掃描儀提供的圖像包含的細(xì)節(jié)軟組織相關(guān)細(xì)節(jié) (例如器官和血管)通常較其他形式的醫(yī)學(xué)成像更多，但其圖像生成較慢，通常需要十五分鐘到 一個(gè)小時(shí)。相比之下，X射線和CT掃描的時(shí)間分別為不到一秒與一分鐘。MRI長(zhǎng)時(shí)間的掃描對(duì)幼兒以及幽閉恐懼癥患者感到痛苦。

　　此外，而許多農(nóng)村地區(qū)和貧困國(guó)家的MRI缺乏，已有的設(shè)別不足以負(fù)擔(dān)大量的人群。通過(guò)提高M(jìn)RI掃描儀的速度，我們可以使更多患者能夠使用這些設(shè)備。

　　充分加速的MRI設(shè)備還可以減少患者在腹部和軀干的心臟，肝臟或其他器官成像期間必須屏住呼吸的時(shí)間量。提高速度可以讓MRI機(jī)器在某些應(yīng)用中充當(dāng)X射線和CT機(jī)器的角色，讓患者避免與這些掃描相關(guān)的電離輻射。

　　先進(jìn)醫(yī)學(xué)成像的挑戰(zhàn)

　　該項(xiàng)目最初將側(cè)重于改變MRI機(jī)器的運(yùn)行方式。目前，掃描儀通過(guò)在一系列連續(xù)視圖中收集原始數(shù)值數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為內(nèi)部身體結(jié)構(gòu)的橫截面圖像來(lái)工作，然后醫(yī)生將其用于評(píng)估患者的健康狀況。要收集的數(shù)據(jù)集越大，掃描所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。

　　(左)原始MRI數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)換為圖像之前，為了捕獲診斷研究的全套原始數(shù)據(jù)，MRI掃描通常需要15-60分鐘。

　　(右)從完全采樣的原始數(shù)據(jù)重建的膝蓋的MRI圖像。

　　使用AI，可以捕獲更少的數(shù)據(jù)并因此更快地掃描，同時(shí)保留甚至增強(qiáng)磁共振圖像的豐富信息內(nèi)容。關(guān)鍵是訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以識(shí)別圖像的底層結(jié)構(gòu)，以便填充加速掃描中省略的視圖。這種方法類(lèi)似于人類(lèi)處理感官信息的方式：當(dāng)我們體驗(yàn)這個(gè)世界時(shí)，我們的大腦經(jīng)常會(huì)收到一幅不完整的圖片——就像被遮擋或昏暗的物體一樣——大腦需要將其轉(zhuǎn)化成可操作的信息。紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院的早期工作表明，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以完成類(lèi)似的任務(wù)，從少量的數(shù)據(jù)中生成高質(zhì)量的圖像。

　　實(shí)際上，通過(guò)部分信息重建圖像是一個(gè)非常困難的問(wèn)題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)必須能夠有效地彌合掃描數(shù)據(jù)中的間隙，而不犧牲準(zhǔn)確性。一些缺失或錯(cuò)誤建模的像素可能意味著醫(yī)生將作出錯(cuò)誤的判斷。相反，捕獲圖像中先前無(wú)法訪問(wèn)的信息可以完全挽救生命。

　　(左)未充分采樣的原始MRI數(shù)據(jù)。 用于捕獲該數(shù)據(jù)的MRI掃描比用于捕獲診斷研究的完整數(shù)據(jù)的掃描更快，但是欠采樣在得到的MRI圖像中產(chǎn)生噪聲和偽影。 (右)從二次采樣數(shù)據(jù)重建的膝蓋的MRI圖像。 fastMRI項(xiàng)目旨在使用AI創(chuàng)建有用的MRI圖像，沒(méi)有像這里顯示的噪聲和偽像。

　　Facebook和紐約大學(xué)的合作

　　紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院是紐約大學(xué)朗格健康系的一個(gè)部門(mén)，它長(zhǎng)期以來(lái)一直致力于推動(dòng)醫(yī)學(xué)研究和教育的發(fā)展，以造?；颊叩纳?。放射科的高級(jí)成像創(chuàng)新和研究中心(CAI?R)包括一個(gè)由工程師，物理學(xué)家，數(shù)學(xué)家，放射科醫(yī)師以及其他臨床醫(yī)生和科學(xué)家組成的多學(xué)科團(tuán)隊(duì)，他們?cè)诳焖賵D像采集，平行成像和高級(jí)圖像重建方面擁有豐富的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。現(xiàn)在他們將工作重心置于開(kāi)發(fā)新型成像技術(shù)，并將這些技術(shù)迅速轉(zhuǎn)化為臨床實(shí)踐。

　　自2016年以來(lái)，CAI?R研究人員一直致力于利用AI實(shí)現(xiàn)更快的MRI掃描。早期研究表明掃描時(shí)間可以減少一個(gè)數(shù)量級(jí)甚至過(guò)多。然而，要實(shí)現(xiàn)這些潛在收益，需要額外的AI知識(shí)以及大規(guī)模計(jì)算資源。

　　大約在同一時(shí)間，F(xiàn)acebook人工智能研究(FAIR)小組專(zhuān)注于推動(dòng)人工智能狀態(tài)的開(kāi)放和基礎(chǔ)研究，正在尋找AI可能產(chǎn)生重大現(xiàn)實(shí)影響的項(xiàng)目。 CAI?R的圖像重建工作符合這些標(biāo)準(zhǔn)，并為FAIR提供了結(jié)合其深度學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的機(jī)會(huì)(特別是在計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域)，并利用醫(yī)學(xué)院領(lǐng)先的成像科學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)培訓(xùn)大規(guī)模模型的能力。

　　項(xiàng)目數(shù)據(jù)詳情

　　該項(xiàng)目中使用的成像數(shù)據(jù)集由紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院專(zhuān)門(mén)收集，由10，000個(gè)臨床病例組成，包括大約300萬(wàn)個(gè)膝蓋，腦和肝臟的磁共振圖像。

　　所有數(shù)據(jù)(包括圖像和原始掃描儀數(shù)據(jù))都完全剝離了患者姓名和所有其他受保護(hù)的健康信息。這項(xiàng)工作完全符合HIPAA標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)過(guò)紐約大學(xué)朗格納機(jī)構(gòu)審查委員會(huì)的批準(zhǔn)，該委員會(huì)負(fù)責(zé)監(jiān)督醫(yī)療中心的所有人體研究。該項(xiàng)目受?chē)?yán)格的人體主題數(shù)據(jù)保護(hù)協(xié)議的約束，并由紐約大學(xué)朗格尼的世界級(jí)信息技術(shù)團(tuán)隊(duì)提供支持。

　　用于該項(xiàng)目的磁共振圖像(通常代表解剖學(xué)的小目標(biāo)區(qū)域)已經(jīng)被清除了任何潛在的區(qū)別特征。同樣，基于AI的重建與傳統(tǒng)重建之間的性能比較也將缺乏任何識(shí)別信息。項(xiàng)目中不會(huì)使用任何類(lèi)型的Facebook數(shù)據(jù)。

　　紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院放射科主任Michael Recht，醫(yī)學(xué)博士，醫(yī)學(xué)博士Daniel Sodickson，研究副主席和高級(jí)成像創(chuàng)新中心主任，人工智能主任Yvonne Lui醫(yī)學(xué)博士，在紐約大學(xué)朗格健康分校檢查膝關(guān)節(jié)MRI 2019年8月，紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院的放射科醫(yī)生將開(kāi)始與Facebook開(kāi)展研究合作，通過(guò)人工智能將MRI加速提高10倍。

　　Recht，Sodickson和Lui于2018年8月在紐約大學(xué)朗格健康醫(yī)院檢查膝關(guān)節(jié)MRI掃描。

　　“為了盡可能快地推進(jìn)醫(yī)學(xué)成像的最新技術(shù)水平，雙方計(jì)劃開(kāi)源這項(xiàng)工作，以吸引更多研究團(tuán)體能夠在我們的發(fā)展基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展。隨著項(xiàng)目的進(jìn)展，F(xiàn)acebook將分享與此研究相關(guān)的AI模型，基線和評(píng)估指標(biāo)，紐約大學(xué)醫(yī)學(xué)院將開(kāi)源圖像數(shù)據(jù)集。這將有助于確保工作的可重復(fù)性，并加速在臨床實(shí)踐中采用所得方法?！?/p>

　　下一步是什么

　　雖然該項(xiàng)目最初將專(zhuān)注于MRI技術(shù)，但其長(zhǎng)期影響可能會(huì)擴(kuò)展到許多其他醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用。例如，AI提供的改進(jìn)也有可能徹底改變CT掃描。先進(jìn)的圖像重建可以實(shí)現(xiàn)適合弱勢(shì)群體的超低劑量CT掃描，例如兒科患者。這些改進(jìn)不僅有助于改變醫(yī)學(xué)成像的經(jīng)驗(yàn)和有效性，而且還有助于平等獲得醫(yī)療保健不可或缺的要素。

　　fastMRI項(xiàng)目將展示來(lái)自不同領(lǐng)域和行業(yè)的領(lǐng)域?qū)＜胰绾喂餐献?，以產(chǎn)生一種開(kāi)放式研究，這將對(duì)世界產(chǎn)生深遠(yuǎn)而持久的積極影響。