MORSE: Multiple Orthogonal Reference Sensitivity Encoding

想象一下，你正试图拍摄一张大规模人群的合影，但你的相机坏了，一次只能捕捉到极其微小的画面片段。如果你只拍下这一小块，其他所有人都会被切掉；如果你试图稍后将这些片段拼接在一起，边缘的人可能会看起来像是被复制了，或者被拉伸成了奇怪的形状。这就是当科学家想要实现超快速脑部成像时，核磁共振成像（MRI）所面临的日常困境。为了在心跳间获得清晰图像，他们必须进行“欠采样”拍摄，即跳过部分数据以节省时间。但这会导致最终的图像看起来像是一个混乱的拼图，充满了大脑特征的幽灵重影。

为了解决这个拼图难题，MRI 机器使用了一组“耳朵”（称为接收线圈）来聆听来自身体的无线电信号。每只“耳朵”听到的信号都因其位置的不同而略有差异。通过比较这些不同的视角，计算机可以确定信号实际上来自哪里，并理清混乱的局面。然而，进行这种数学运算就像是在同时解开一百万个微小的魔方。这通常耗时极长，以至于你必须等待数小时才能看到图像，这对于观察大脑实时思考过程或针对无法保持静止的患者来说实在太慢了。这个领域的核心问题是：我们能否足够快地解开这些拼图碎片，以便观察大脑的工作过程，同时又不让图像变得模糊或充满噪声？

于是，MORSE（多正交参考灵敏度编码）诞生了。这是由伦敦大学学院（UCL）研究人员开发的一种新方法，它就像一个超级聪明、闪电般快速的拼图解题者。

问题所在：幽灵般的双重曝光

当 MRI 扫描加速时，图像会产生“混叠”现象。这就像是一张糟糕的复印件，纸张的边缘发生了卷曲和重叠。如果你正在扫描头部，耳朵可能会绕过来出现在大脑内部，或者后颈看起来像是漂浮在额头位置。为了修复这个问题，计算机需要准确知道它的每一只“耳朵”在脑部每一个点上的灵敏度。

旧的方法试图通过先拍摄一张单独的、缓慢的高质量“参考”图像来猜测这种灵敏度。但这种参考图像往往无法与快速拍摄的图像完美匹配，尤其是在用于先进研究的高磁场（7 特斯拉）环境下。这就像是试图用一张不同城市的地图来修复一张模糊的照片；细节对不上，修复也就失败了。其他方法尝试通过观察数据中的模式来表现得更聪明，但它们要么慢到无法投入实用，要么让图像变得如此嘈杂，看起来就像旧电视机上的静电噪声。

MORSE 的解决方案：虚拟侦探团队

MORSE 团队意识到，与其依赖一张单一且完美的地图，不如让数据在运行过程中实时教导规则。他们构建了一个分为三个巧妙步骤的系统：

1. 虚拟侦探小队： MORSE 不直接使用所有的物理“耳朵”（线圈），而是首先将它们分组为一小组更精简的“虚拟线圈”。想象一下，将 64 个歌手组成的合唱团融合为 8 种截然不同且功能强大的和声。这使得数学运算变得更快，因为计算机需要追踪的声音变少了。
2. 灵活的透镜： 旧方法假设线圈的灵敏度是平滑且可预测的，就像一座缓坡。但在高速度和高磁场下，灵敏度的变化可能非常剧烈，就像一段崎岖的山脉。MORSE 使用了一个“灵活透镜”（一种数学平滑核）来进行缩放。它观察一个像素的小邻域来确定灵敏度，使其能够处理那些剧烈且快速的变化而不至于产生混乱。
3. 多视角策略： 这是核心秘诀。有时，图像中的一个点实际上是两种不同事物的混合体（例如，大脑信号和脂肪信号的混合，或者是从另一侧绕过来的信号）。旧方法试图将这些混合信号强行归为一个答案，这往往会导致失败。而 MORSE 则说：“让我们保留几种不同的可能性。”它为每个点估计多个灵敏度图。这就像是一位侦探不仅猜测一个嫌疑人，而是保留一份包含三四个可能性的名单，并检查哪一个最符合证据。这使得它能够理清那些让其他方法陷入混乱的复杂重叠。

研究发现：快速、清晰且准备就绪

研究人员在 3 特斯拉（标准高场）和 7 特斯拉（超高场）扫描仪上对真实人类大脑进行了 MORSE 测试。他们将其与 MRI 制造商使用的标准工具（GRAPPA）以及另外两种先进的开源工具（ESPIRiT 和 LORAKS）进行了对比。

结果令人瞩目。当其他方法试图修复那些“幽灵般”重叠的图像时，它们往往会失败。GRAPPA 留下了可见的伪影（耳朵的影子出现在大脑内部），而 ESPIRiT 虽然在消除幽灵方面表现较好，却让图像变得非常颗粒化且充满噪声，难以辨认。LORAKS 生成了清晰的图像，但计算时间过长（有时超过两小时），因此无法用于任何实时场景。

相比之下，MORSE 生成的图像显著更清晰且更稳健，尽管具体质量取决于针对特定扫描进行的参数调节。

• 速度： 它极其快速。对于一次复杂的 7 特斯拉扫描，MORSE 仅需约 24 秒 即可重建图像。相比之下，ESPIRiT 需要超过 15 分钟，而 LORAKS 则需要近 2 小时。
• 质量： 图像更加锐利清晰。在视野过小无法容纳整个头部（这是快速扫描中的常见问题）的测试中，MORSE 成功理清了绕回来的耳朵和颈部，而没有将大脑变成一片静电噪声。虽然消除伪影的最佳设置可能会根据扫描的具体部位而变化，但 MORSE 在广泛的设置范围内始终能实现高质量的结果，且噪声极低。
• 具备实时能力： 由于其速度极快，MORSE 可以在患者仍在扫描仪内时运行。这意味着医生和研究人员可以实时看到大脑的活动，而不是等待数小时才看到发生的事情。

为什么这很重要

论文指出，MORSE 是一个灵活且稳健的工具，适用于各种类型的脑部扫描，无论是观察结构（大脑长什么样）还是功能（大脑在做什么）。它无需超级计算机即可处理高速度成像中的复杂数学问题，这使得它能够在标准的医院硬件上运行。

研究人员已将 MORSE 的代码作为开源库向所有人开放。这意味着科学家和医院不再需要等待昂贵、缓慢或不完美的解决方案，现在可以使用一种能够快速、清晰地理清 MRI 拼图的方法，为每个人开启更高质量、更快速的脑部成像之门。它将一个缓慢、模糊的猜测变成了快速、清晰的图像，让我们以前所未有的方式观察大脑的运作。