全球磁共振成像基础研究现状及启示 *

蒿巧利 王亮伟 赵晏强 李印结 仇华炳

（1.中国科学院武汉文献情报中心，武汉 430071；2.科技大数据湖北省重点实验室，武汉 430071；3.中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，武汉 430071）

磁共振成像具有无辐射损伤、软组织分辨能力高、成像参数多、对比度高、图像信息丰富等优点，在临床医学上几乎可以用来评估所有主要器官的疾病［1，2］，与X 光、超声、CT 齐名，是现代医疗体系中不可或缺的诊断手段。高场、超高场磁共振成像仪还广泛应用于神经科学、脑科学和肿瘤学等生命科学的基础研究，是开展科技创新的重要物质前提。但是由于高场强磁体、先进探头／低温线圈技术、极化增强技术、成像仪临床应用等核心技术长期被国外垄断，国产化研制困难重重，磁共振成像成为典型的“卡脖子”领域，是我国医疗领域“看病难、看病贵”的重要推手，严重威胁着国民健康发展大局。我国磁共振成像设备的人均数量不及美国等发达国家的五分之一［3］，国内磁共振成像检查费用接近超声检查的6 倍。国内主流产品1.5 T 机中有半数以上来自通用电子、飞利浦、西门子等国外企业，3.0 T 及以上高场机几乎全由国际巨头垄断［4］。另外，核心技术研发能力不足将反过来阻碍进一步的科技创新。2018 年北京大学与国际核磁仪器巨头布鲁克“闹掰”，进而引起全国高场磁共振谱仪科研用户从多年隐忍到群起维权，发生科学仪器领域的“中兴事件”，反映出我国苦磁共振仪器垄断久矣。“卡脖子”难题的背后是基础研究能力的不足。党的十九大报告明确指出要“加强基础研究”，科技部也提出要把基础研究摆在整个国家科技工作的更加重要的位置。因此，准确把握磁共振成像基础研究特别是在磁共振成像领域起到技术支撑作用、位于研究链条前端的应用基础研究的现状，对于我国破解磁共振高端（医疗和科研）装备卡脖子难题具有重要的现实意义。

磁共振成像仪的创新发展一直是学科专家的关注焦点。中国科学院精密测量院叶朝辉院士指出，未来要在临床需求的驱动下，在数理、科学、化学、生物工程、技术、信息科学等多科学技术的支撑下，发展全域、高分辨、多模态协同融合、跨尺度信息融合、智能化数字化的生物医学影像，其中发展超极化129Xe 气体磁共振肺部快速成像技术是我国发展生物医学影像的主要着力点之一。北京大学磁共振成像研究中心主任高家红教授等［5］指出，近年来磁共振仪器朝着超高超快超灵敏方向快速发展，超高场系统、临床超极化系统、磁共振成像大数据与人工智能、磁共振导航与诊断治疗一体化等是重点研究方向。华中科技大学生物影像学专家骆清铭等［6］指出，我国正积极推动磁共振成像朝着数字诊疗装备发展，并推动磁共振成像与精准医学、纳米科技融合发展。此外，融合计算机技术与统计学方法的文献计量法，作为一种可以客观揭示某一领域研究热点和发展趋势的研究方法，曾被用于研究磁共振成像的分支领域，比如监测干细胞移植［7］、肝细胞癌成像［8］、精神分裂症成像［9］、人工智能技术—增强大脑成像［10］、针灸成像［11］等。本研究尝试将文献计量法的客观分析和专家的学科全局视角相结合。从论文这一基础研究常见的成果形式出发，逐步深入挖掘，试图从研究热度、重点主题、热门技术和前沿方向等四个维度反映磁共振成像基础研究的现状，以服务我国磁共振成像创新发展大局。

1 数据与方法

1.1 数据获取

科技论文作为科技信息传递、存储的重要载体，是基础研究的主要成果形式。不过，就磁共振成像而言，相关科技论文与基础研究成果之间的映射关系却有待商榷。磁共振成像技术作为医用、科研用设备技术，通常用临床应用的医药卫生类论文反映技术临床贡献度，用生命科学研究的神经科学、精神病学、肿瘤学类论文反映技术科研贡献度，这些论文从磁共振成像本身来看均属于非基础研究。而工程技术类论文主要介绍在磁共振成像领域起到技术支撑作用、位于研究链条前端的应用基础研究，这才是反映技术原研创造力［12］的主要成果形式。

Web of Science 核心合集是获取全球学术信息的重要数据库，它收录了全球12400 多种权威的高影响力学术期刊，为重要的学术分析与评价工具。在Web of Science 核心合集中，选定工程和仪器仪表两个学科，利用检索式TS=（（Magnet*-Resonan*-Imag* OR MR-imag* OR MRI OR NMR-Imag* OR （（Magnet*-Resonan* OR MR OR NMR） NEAR Imag*）） NOT （micro-vision-sens*OR visual-comparison OR mannose-receptor OR magnetorheological）），于2021 年2 月3 日检索到17110 篇以“磁共振成像”为主题的“Article”类型文献，手动删除161 篇杂质文献后获得有效文献记录16949 篇，通过抽样检查反复确认整体数据的可靠性后，作为本研究数据集。需要特别说明的是，虽然磁共振成像领域的基础研究并不完全集中于工程和仪器仪表两个学科，但是经过人工判读和专家咨询，确认工程和仪器仪表两个学科具有一定的代表性，并且相关研究大部属于磁共振成像领域的基础研究。加之，“Article”论文工作完整性强、注重同行评审、论文质量稳定、收录数量较大，可一定程度上刻画磁共振成像基础研究的过去和现在，并可辅助专家预测未来的发展方向，具有一定的研究价值。

1.2 研究方法

本研究利用陈超美教授开发的CiteSpace（5.5.R2）软件进行知识挖掘和可视化，主要包括：1）基于年度发文数量绘制年度发文趋势；2）开展关键词共现分析，通过词频分析法和社会网络法确定热点主题和核心主题；3）采用对数似然率（loglikelihood ratio，LLR）算法抽取热门技术领域，并综合专家智力和重点词汇对热门技术领域进行解读；4）开展关键词前沿时序分析，借助关键词的演变探究磁共振成像基础研究的发展历程及前沿方向。

2 结果和讨论

2.1 研究热度变化

年度发文量的变化可在一定程度上反映某一领域的发展历程和趋势。首先，将磁共振成像基础研究论文的发表年份进行统计，制作年度发表论文数量柱状图（图1）。同时，考虑到磁共振成像系统作为尖端制造的代表，其基础研究涉及物理、化学、数学、生物、医学、材料、控制、电信、计算机等多学科交叉和协同发展，故此也将论文的所属学科进行统计（图2），以窥磁共振成像基础研究的大概学科发展环境：从图2 来看，磁共振成像的基础研究固然离不开工程学、医学、生物学和影像学的发展，但是计算机科学、电子电气学、物理学、化学、材料学和数学等基础学科的协同发展同样至关重要。

图1 年发文量Fig.1 Published Items in Each Year

图2 主要学科分布Fig.2 Distribution of Major Subject Categories

图1显示磁共振成像基础研究的发展可大致分为三个阶段。①起步期（1990年前）：首篇文献发表于1976 年，1990 年前整体发文量较少。②巩固发展期（1991—2003年）：1991 年起年度发文量明显增加，到1998 年年度发文量增至296 篇，之后年度发文量逐年减少，2003 年减少至99 篇。这主要是因为进入20 世纪90 年代后机电产业的迅速发展推动了磁共振研究的快速发展。从图3 可以看出，电子电气学、计算机科学自20 世纪90 年代起便为相关领域的发展注入源源不断的活力。然而20 世纪末，随着永磁型磁共振被限制在1 T以下难以突破，相关研究又逐步放缓。③快速发展期（2004—至今）：2004 年起年度发文量快速增加，2012 年起增长速度进一步加快，2020 年增加至1553 篇。21 世纪初超导型磁共振从实验阶段走向临床阶段，直至发展为“永磁淡出主流市场、超导全面替代”的新格局，是推动相关研究快速发展的重要原因。总体而言，进入21 世纪后磁共振物理学快速发展；近十年来磁性纳米颗粒和人工智能等技术的发展成为推动相关领域快速发展的主要因素；包括人工智能在内的计算机科学、包括纳米材料与纳米技术在内的材料学、以及电子电气学的快速发展是近十年磁共振成像基础研究发展的重要引擎；特别地，电子电气学和计算机科学近五年的发文数量迅速增长。

图3 主要基础学科的年发文量Fig.3 Numbers of Annual Publications in Major Basic Subject Categories

整体而言，磁共振成像基础研究的年度发文量虽然有过短暂下降，但整体呈现上升趋势，近五年论文增长速度进一步加快，反映出其长期受到高度关注且近年研究热度进一步加大的事实。

2.2 重点研究主题

关键词是文献内容的高度凝练和准确概括，其共现分析和可视化有助于发现领域研究热点主题和核心主题。利用CiteSpace 生成Top50 关键词的共现网络图谱，文献时间跨度1976—2021年，时间切片2 年，节点标签出现阈值为100，节点（＋）越大表示关键词出现频次越高，连线越粗表示关键词共现强度越大（图4）。关键词的出现频次和中介中心性数据联合如表1 所示。

表1 关键词的出现频次和中介中心度Tab.1 Frequencies and Intermediate Centralities of Keywords

表2 基于LLR 算法的技术主题分类及其主要关键词Tab.2 Technical Topic Classifications and Related Keywords Based on LLR Algorithm

图4 关键词共现网络图谱Fig.4 Map of Keywords Co-occurrence Network

从出现频次来看，图像分割、脑、算法、图像配准、系统、图像分类、在体、功能磁共振成像等关键词出现频次较高，意味着这些主题受关注度较高，为热点主题。从共现关系来看，人脑、脑电图、在体、图像配准、血液流动、运动、对比剂、定量等关键词中介中心性较大，意味着这些主题对网络中其它主题的影响较为显著，为核心主题。

这些重要的研究主题全部来自磁共振成像基础研究的关键科学问题：（1）快速成像技术：包括致力于缩短图像重建时间和复杂度的图像重建算法，能够突破低维数据先验信息依赖的新的数学原理和算法，以及心脏、骨骼、肌肉等运动器官和流动血液的动态快速成像技术；（2）认知神经科学与脑部重大疾病相关问题：包括利用功能磁共振成像寻找功能性神经病变的病灶或研究脑区之间的功能连接，以及将其与脑电记录相结合发展脑机接口；（3）定量精准成像技术：包括基于对比剂的超灵敏成像技术；（4）活体组织无创检测的代谢成像和分子影像技术等。

2.3 热门技术领域

关键词间的共现关系代表着研究主题间的相似性，基于共现关系的关键词聚类分析有助于识别技术主题方向。以关键词共现图谱（图4）为基础，运行CiteSpace 进行聚类操作，并采用LLR算法从关键词中抽取术语对聚类进行命名，得到关键词共现网络的聚类图谱（图5）。其中，Q值为0.8368，表示聚类的轮廓结构显著；S 值为0.8605，表示同一聚类内部的关键词同质性高，聚类划分合理。序号#1～#11 代表不同的聚类，序号越小包含的关键词越多，聚类规模越大。

图5 关键词共现网络的聚类图谱Fig.5 Clustering Map of Keywords Co-occurrence Network

#1磁性纳米颗粒技术：由磁性核和生物相容性聚合物壳构成的磁性纳米颗粒，作为造影剂可以显著增强靶向组织的磁共振成像信号强度，进而改善病变的检测和表征［13］，同时其对于靶向组织的高渗透性和保留效应又提供了一种精准药物递送方法［14］，因而受到广泛关注。其中，纳米探针的灵敏性、生物安全性、多功能性、特异性等是重点关注方向。#2肌肉成像：MRI 在肌肉机械特性的无创、体内、定量测定方面显示出巨大潜力，广泛应用于临床和愈后的肌肉损伤范围和损伤程度评估［15，16］，被认为是诊断肌肉损伤的最佳影像技术。#3功能磁共振成像：fMRI 因其无创、优良的空间分辨能力极大地推动了亚临床阶段神经疾病预检、实时脑功能定位、中枢神经系统药物研究等脑功能相关研究，促使脑科学成为最活跃的研究领域［17，18］。#7血管成像：动脉粥样硬化特别是脑动脉粥样硬化疾病全球发病率高，而高分辨的磁共振成像技术允许动脉斑块形态学和结构的在体详细表征，避免了由手术、组织学制备和离体处理等造成的血管壁结构改变问题，因而被认为是最有潜力的动脉粥样硬化疾病成像技术［19，20］。#8伪影消除：金属植入物、静磁场或射频不均匀、运动、生理运动、工作软件和环境等都有可能引起伪影，消除伪影提高图像质量是磁共振成像的经典问题［21］。#9 PET／MRI集成：包括正电子发射计算机断层显像（Positron Emission Tomography，PET）、电子计算机断层扫描（Computed Tomography，CT）、电阻抗成像（Electrical Impedance Tomography，EIT）等技术与磁共振成像的集成系统研究。其中，集成MR-PET 扫描仪开发一直是新型生物医学成像技术研究的重点关注方向［22］，也是近些年最值得关注的新型医学成像技术。MR 和PET 成像的互补性使得集成系统可以将分子信息同步映射到解剖结构上，并对多个分子探针进行共成像，因此在肿瘤学和神经学成像中有特别重要的应用［1］。#10深度学习／#11机器学习：随着训练数据集的显著增长和芯片处理能力的增强，机器学习特别是深度学习成为磁共振成像的新型研究领域［23，24］，深度神经网络在特征提取［25］、图像分割［26］和图像重建［27］方面已表现出强大优势。

与国家制造强国建设战略咨询委员会组织编制的《中国制造2025》进行对照发现，通过LLR算法识别的热门技术与《中国制造2025》中生物医药及高性能医疗器械领域的关键共性技术、重点发展产品基本一致。该路线图将与磁性纳米颗粒领域有关的“基于新靶点／新结构／新功能的抗体、蛋白、多肽、核酸及免疫细胞治疗等创新生物技术药物研制新技术”“基于磁性靶向给药等释药系统和药物递送相关技术等系列特色共性关键新技术”等列为生物医药的关键共性技术，将“3T 及以上超导磁共振系统（MRI）”“正电子发射型断层显像／磁共振成像系统（一体化PET-MRI）”等列为高性能医疗器械的重点发展产品，将与深度学习和机器学习有关的“健康大数据技术”技术列为高性能医疗器械的关键共性技术。此外，本研究利用LLR 算法发现，肌肉成像、血管成像、可用于老年性痴呆等大脑疾病评估的功能磁共振成像、伪影消除等也是全球磁共振成像基础研究的热门技术。

2.4 前沿技术方向

关键词及其共现关系随时间的变化趋势在一定程度上代表着某一领域的演进路径和发展趋势。以关键词共现图谱为基础得到关键词共现网络的时区图（图6）。横轴为关键词在数据集中的首次出现年份，节点（＋）越大则关键词出现频次越高，连线越粗则关键词之间的共现关系越强。

图6 关键词共现网络的时区图Fig.6 Timezone Chart of Keywords Co-occurrence Network

结合关键词前沿时序图和年度发文趋势，可以一窥磁共振成像基础研究大致的演进路径和发展趋势。1）起步阶段（1990年前）：文献数量极少。1973 年Paul C Lauterbur 和Peter Mansfield 分别独立研制出磁共振成像系统，并得到活体蛤蜊的内部结构图像和著名的“诺丁汉的橙子”；1977年医用磁共振设备用于首次人体图像；1980 年第一台可以用于临床的全身磁共振诞生；1984 年第一台医用磁共振获得FDA 认证［28］。2）巩固发展期（1991—2003年）：文献数量明显增加。研究对象和技术手段多样化。1990—1993 年涌现出研究主题，包括图像分割、图像配准、脑、在体、癌症、算法、模型（model）；1995—2000 年再次涌现多个研究主题，包括分类、造影剂、功能磁共振成像、容积（volume）、图像重建（image reconstruction）、追踪、模拟。90 年代在早期磁共振成像图像的鼓舞下，科学研究的进步，计算机、新材料和制造工业的发展，商业竞争的加剧［28］推动相关研究不断扩大和加深（比如功能磁共振成像［29，30］出现并快速发展）使磁共振成像快速成为常规检查手段。2003 年Paul C Lauterbur 和Peter Mansfield 获得诺贝尔生理学或医学奖。3）快速发展期（2004年至今）：文献数量快速增加。研究对象进一步丰富。2009 年后纳米粒子、药物递送（drug delivery）等关键词出现，基于纳米颗粒的分子成像探针和药物递送研究快速成为前沿方向。在精准医疗模式下，尺寸小、表面积比大、易修饰［31］的纳米颗粒作为新型造影剂和药物载体将在精准分子成像和精准靶向治疗方面发挥着日益重要的作用［32，33］。2010 年后架构（framework）、阿兹海默症（alzheimers disease）、压缩感知（compressed sensing）［34］、卷积神经网络（convolutional neural network）、深度学习（deep learning）等关键词出现，人工智能与磁共振成像、脑科学的交叉研究加快，推动智能磁共振成像成为前沿方向，同时ADNI［35，36］等诊断数据集推动阿兹海默症成为智能磁共振成像的热点方向。另外，图像分割、分类、功能磁共振成像等与近年新出现的关键词间存在强共现关系，表明这些经典主题同样是当前研究的焦点。

3 启示与建议

基于全球磁共振成像基础研究的现状和趋势，提出如下建议。

1）重视机遇研判和顶层规划，抢占全球磁共振基础研究新兴前沿领域。年度论文发表趋势显示，近十年来全球磁共振成像基础研究的热度进一步加大。建议把构建引领未来的能力作为磁共振基础研究和科技创新的导向，尽快改革长期以来相关工作中以“战术”应对“战略”的思维模式，强化对磁共振成像前沿科学问题、关键共性技术、前沿引领技术、现代工程技术和颠覆性技术的精准研判，强化对我国磁共振发展难点和机遇的系统研究。在此基础上，兼顾前沿方向和基础问题，并支撑卡脖子技术突破和发展高端装备，制定我国磁共振中长期发展规划和相关路线图，以推动精准赋能、高效赋能、破除障碍、狠抓机遇。

2）强化政府主导下的协同创新，破解关键核心技术中的基础研究问题。关键词共现分析显示，全球磁共振成像基础研究的重点研究主题和热门技术领域涉及图像重建算法、伪影、活体无创检测、动态快速成像、定量精准成像等领域基本问题，磁性纳米材料、机器学习算法等关键共性技术，以及一体化PET-MRI 扫描仪等重点产品；同时还十分关注大脑、血管和肌肉磁共振成像，以及认知神经科学与脑部重大疾病相关问题等应用领域。建议由政府牵头联合不同类型创新主体，集中优势资源，实施专项攻关计划：聚焦共性技术、重点产品（包括3T 及以上超导磁共振系统等）、重要应用领域的基础研究问题，设置投入高、周期长的专项，统一谋划、统一部署、统一推进、统一实施，处理好基础、技术、产品的关系，做到协调一致、齐头并进。

在此过程中，建议：①重点支持医疗装备与新材料、电子信息等领域合作，着力突破知识的复杂性和嵌入性障碍；②选择重大或常见病种，部署重大研究任务，利用我国病患资源优势，着力发展新理论、新技术及系统性解决方案，在产出一批重大成果的同时，发展出安全有效、先进优质、市场竞争力较强的整机产品；③进一步汇聚大学、科研机构、企业等科研力量形成国家战略科技力量体系，并加强与大型医院的分工合作，积极探索“研工医”协同创新模式，推动磁共振全链条贯通发展。

3）以重大创新平台建设为抓手，打造全球磁共振人才的集聚高地。从学科结构来看，磁共振成像基础研究涉及的学科门类繁多，磁共振成像仪技术体系精密复杂、研发难度较大。高端磁共振系统由于其设计特殊、工艺复杂、综合工程化能力要求高，研发壁垒尤其高筑。建议以建设磁共振科学与技术国家重点实验室等重大创新平台为抓手：①加速集聚物理、电子、材料、化学、生物、医学等相关学科人才，以及科学、技术、工程等各类型人才，促进多种科学的交叉、多种能力的整合，提高高端磁共振装备的整机研发能力；②深化人才制度改革，使基础研究型、技术研发型和产业创新型等各类人才各尽其才，力促人才链与产业链双链融合，全力打造全球磁共振人才高地。

4）强化专利布局和标准抢占工作，加快培育和壮大新兴战略产业。磁共振成像基础研究先后经历了起步阶段、巩固发展期，目前已进入快速发展期：围绕纳米颗粒的新型造影剂和药物载体技术推动磁共振成像基础研究向精准医疗方向发展；卷积神经网络等深度学习技术推动磁共振成像基础研究向智能医疗方向发展，其中阿兹海默症是智能磁共振成像的热点应用方向。建议，围绕精准医疗和智能医疗等战略新兴方向，①强化专利布局和标准抢占，为产品进入全球市场保驾护航，维护、巩固和提升产品的市场地位和竞争优势；②优化产业园区相关资源／设备的配套，持续加强国内外链上优势企业的引入和小巨人企业的培育，引导创新要素向磁共振产业集聚；③支持有基础、有条件的地方创建应用示范基地，打造国家科技创新基地和国际研发制造高地，加快世界级产业集群培育。

数据可用性声明

支撑本研究的科学数据已在中国科学院科学数据银行（Science Data Bank）ScienceDB 平台公开发布，访问地址为https：／／www.doi.org／10.57760／sciencedb.j00053.00054 或http：／／resolve.pid21.cn／31253.11.sciencedb.j00053.00054。