多厂商3T磁共振瞬态弛豫定量技术的重复性与再现性评估：体模与人脑研究

本研究针对多中心研究中不同MRI厂商瞬态弛豫定量技术(TSR)的一致性问题，通过旅行体模和旅行人脑实验，系统评估了3T场下联合T1-T2测量的准确性、重复性和厂商间再现性。研究发现虽然各厂商TSR实现均表现出优异重复性(CV<4.5%)，但不同实现间存在显著差异，特别是T1存在约100 ms的系统偏差。该研究为多中心定量MRI研究提供了重要技术参考，强调需考虑不同实现带来的偏差。

　　

在磁共振成像(MRI)领域，定量弛豫测量技术能够提供组织T₁和T₂弛豫时间的精确量化，这些生物标志物与脑组织完整性、髓鞘含量和铁负载等临床相关指标密切相关。然而，传统的金标准弛豫测量方法需要漫长的扫描时间，无法满足临床实践需求。虽然临床上可行的替代方法如DESPOT(驱动平衡单脉冲观察T₁/T₂)已经出现，但这些方法通常需要采集多个序列并进行配准，且容易受到B₁⁺和B₀场不均匀性、扩散效应和磁化转移(MT)效应等混杂因素的严重影响。

近十年来，磁共振指纹技术(MRF)等新兴方法为缓解这些问题提供了新思路。MRF依赖于采集参数的连续变化（如翻转角和重复时间TR）来维持信号处于瞬态状态，从而实现对多个组织特性的同时高效编码。这类基于信号瞬态状态的技术，包括磁共振自旋层析成像(MR-STAT)和定量瞬态成像(QTI)，统称为瞬态弛豫测量(TSR)技术。尽管这些方法在相同厂商的扫描仪上表现出高度的重复性和再现性，但由于各方法都是为特定厂商扫描仪开发的，目前尚无跨平台的便携式实现，这严重阻碍了多中心研究的开展，而对于寻找病理生物标志物（特别是罕见疾病如儿童脑白质营养不良）而言，多中心研究至关重要。

为了解决这一关键问题，来自意大利IRCCS Fondazione Stella Maris的研究团队在《NeuroImage》上发表了一项开创性研究，首次系统评估了不同厂商TSR实现的跨平台一致性。研究人员采用旅行体模和旅行人脑实验设计，在来自三大厂商（飞利浦、西门子、GE医疗）的四台3T MRI系统上，对基于TSR的联合T₁和T₂映射的准确性、重复性和厂商间再现性进行了全面评估。

研究采用了多中心协作模式，涉及意大利四个研究中心：IRCCS Fondazione Stella Maris（比萨）、IRCCS San Raffaele医院（米兰）、IRCCS Oasi研究所（特罗伊纳）和IRCCS Carlo Besta神经病学研究所（米兰）。这些中心分别配备了不同厂商的3T MRI扫描仪：飞利浦Achieva 3T（PH）、西门子Magnetom Vida 3T（SI）、GE Signa Premier 3T（GE）和GE Signa PET-MR 3T（GEp）。

研究的关键技术方法包括：各厂商特定的反转准备可变翻转角稳态自由进动(SSFP) TSR序列实现、体模和人脑的多次重复扫描、参考弛豫测量技术（反转恢复自旋回波IR-SE和自旋回波SE）、B₁⁺映射采集、图像配准和统计分析。对于人脑研究，五名健康志愿者（32-56岁，3名女性）在24周内在所有站点完成了MRI扫描。

2.1. TSR技术

各厂商采用了不同的TSR实现方案：飞利浦基于MR-STAT框架使用笛卡尔采样和基于模型的重建方法；西门子基于MR指纹技术框架使用螺旋采样和伪随机采集参数变化；GE医疗基于QTI框架使用3D螺旋投影采集和分段线性翻转角变化。所有序列都提供了全脑覆盖，但视野和z轴覆盖未统一。

2.2. 体模实验

研究使用Eurospin TO5体模，包含五个凝胶填充的小瓶，其T₁和T₂值在脑组织弛豫时间范围内。体模在24周内在所有四台3T MRI系统上进行扫描。参考技术包括IR-SE（七个不同反转时间）和SE（七个不同回波时间）序列，用于评估TSR测量的准确性。

2.3. 旅行人脑实验

五名健康志愿者在每个站点接受MRI扫描，包括T₁加权快速破坏梯度回波(FSPGR)和厂商特定的TSR序列。使用ANTs进行图像偏场校正和颅骨剥离，SPM12进行组织分类分割，获得灰质(GM)、白质(WM)和脑脊液(CSF)的感兴趣区域(ROI)。

2.4. 统计分析

使用MATLAB进行统计分析，包括Pearson相关性、线性回归、变异系数(CV)计算、Bland-Altman分析和重复测量单因素ANOVA。通过一般线性模型(GLM)评估各因素（受试者、站点和扫描重复）对TSR衍生参数图变异性的相对贡献。

3.1. 体模结果

体模实验显示所有站点都获得了优异的测试-重测重复性，T₁和T₂的CV分别不超过2%和1%。与参考技术相比，TSR表现出良好的量化准确性，但存在站点依赖性偏差：T₁偏差范围为-52.9至36.1 ms（-4.8%至5.1%），T₂偏差范围为-9.3至-0.8 ms（-7.5%至-0.7%）。厂商间再现性也很优异，所有组合的CV不超过5%（T₁）和3.3%（T₂）。

3.2. 旅行人脑结果

活体研究中，所有组织都表现出优异的测试-重测重复性，固体组织（GM和WM）的体素CV不超过2.3%（T₁）和4.5%（T₂）。测量得到的T₁/T₂值为：GM 1330±140 ms/64±5 ms，WM 940±130 ms/41±4 ms，CSF 2140±230 ms/229±85 ms。重复测量单因素ANOVA显示所有三种组织类型的T₁和T₂测量都存在显著的站点效应。

厂商间再现性高度依赖站点对：对于T₁，GE和GEp比较时CV最低（所有组织<3.9%），飞利浦和西门子站点比较时CV<6.3%，而GE与其他厂商比较时CV较高（约10%）。对于T₂，飞利浦扫描仪的测量值与其他站点偏差最大（GM和WM中CV～13%，CSF中CV～27%），但固体组织总体再现性良好。

GLM分析显示，固体组织中T₁的绝对偏差为96±40 ms（平衡设计）和112±8 ms（所有四台扫描仪），GE站点为负偏差，飞利浦和西门子为正偏差。固体组织中T₂的平均绝对偏差为1.2±0.5 ms（三台扫描仪）和3.2±2.6 ms（四台扫描仪），除飞利浦站点外，所有站点大多为正偏差。CSF中的绝对平均T₂偏差为35 ms。

研究结论表明，虽然各厂商的TSR实现都表现出优异的重复性，但不同实现之间存在显著差异，这主要归因于不同的磁化转移效应和由于不完全校准导致的残余B₁⁺不均匀性。这些差异在固体脑组织中表现为约100 ms的T₁偏差和2 ms的T₂偏差。

这项研究的重要意义在于首次系统评估了不同厂商TSR实现的跨平台一致性，为多中心定量MRI研究提供了关键参考。研究发现，使用不同TSR实现引入的偏差需要在活体多中心研究中仔细考虑。虽然当前依赖各厂商特定框架仍是实用且必要的解决方案，但仔细的校准、跨站点验证和事后协调对于减轻序列和重建变异性的偏差仍然至关重要。

未来的工作将专注于使用Pulseq等框架实现和表征厂商无关的TSR序列，随着Pulseq解释器功能的不断发展，跨不同平台的兼容性将得到扩展，最终实现真正 harmonized 的多中心定量MRI研究。