面向脑组织体素级表征的7 T多参数CEST、QSM、QTI与23Na成像协议重复性研究

《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》：Toward Brain Biosignature at 7?T—Repeatability of a Multiparametric CEST, QSM, QTI, and Sodium Imaging Protocol

　　

目的：评估一种扩展的多参数7 T MRI协议在体素级组织表征中的重复性，该协议结合形态学、化学交换饱和转移（CEST）、定量磁化率成像（QSM）、q空间轨迹成像（QTI）和钠（²³Na）对比。方法：研究人员在12名无确诊神经系统疾病的志愿者中，于7 T MRI系统上开展重复性研究，采用总采集时间为45:24 min的综合采集协议，并由此衍生45幅对比图。采用基于区域和体素级分析评估定量重复性；采用变异系数（CV）、重复性系数（%RC）和组内相关系数（ICC）评价精确性和可靠性；采用皮尔逊相关系数评估扫描-再扫描图像之间的体素级一致性。结果：在涵盖形态学、CEST、QSM、QTI和²³Na成像的对比中，20个对比的%RC低于20%，多数对比的平均CV低于5%。重复性最高者为MP2RAGE T₁图和QTI MD（CV≈1%–2%；ICC最高达0.86），最低者为²³Na成像（ICC<0.6）。CEST对比在低饱和功率下高度可重复，但在较高功率下变异更大（CV最高约8%）。QSM对比显示中等ICC（0.46–0.82）。大多数对比的体素级相关超过r=0.8，确认重复扫描间空间模式得以保持。结论：多参数7 T MRI能够在广泛对比范围内实现可重复的脑组织体素级表征。尽管特定对比存在变异性，整体较高的重复性和较强的体素级一致性支持体素级成像方法用于定量脑成像的可行性，并为临床研究和神经科学的未来应用提供基础。

该研究围绕超高场多参数MRI能否稳定支持脑组织体素级表征这一问题展开。MRI长期用于软组织分类与表征，但随着定量MRI和先进对比技术发展，采集与后处理流程日益复杂；7 T MRI可提高信噪比（SNR）并增强CEST、QSM和²³Na成像等对比机制，但超高场同时带来更强的B₀、B₁⁺不均匀性和磁化率效应。多参数协议将大量对比组合后，会引入标准质量控制未必覆盖的变异来源。既有研究多分别验证单一定量MRI技术的重复性，而对组合多种先进对比的综合7 T协议在区域和单个体素水平上的重复性了解不足。体素组学（voxelomics）强调仅依据单个体素内在的多参数MRI特征构建特征向量，并视其为组织生物特征签名（biosignature）；该路径依赖可靠、可重复的定量参数，因此研究人员开展扫描-再扫描重复性研究，以建立该协议未来用于无监督体素聚类和与解剖分区比较的技术可靠性前提。

方法上，样本来自单中心12名无确诊神经系统疾病志愿者（6男6女，平均年龄27±3岁），间隔1或2天在同一日两次扫描；使用7 T MAGNETOM Terra.X，¹H成像采用8Tx/32Rx头线圈，²³Na成像采用双调谐²³Na/¹H头线圈并在两次成像间更换线圈和重新定位。协议包括MP2RAGE、T₂-TSE、FLAIR、CEST、QSM、QTI、B₁映射和²³Na等，总采集45:24 min，后处理生成45幅对比图；将图像分割为白质（WM）、灰质（GM）和脑脊液（CSF），开展区域均值和体素级分析，计算CV、%RC、ICC(2,1)和皮尔逊相关系数，并以配对检验及错误发现率（FDR）校正评估系统差异。

结果如下。3.1 强度分布分析：通过同一志愿者代表切片的视觉比较及全脑体素强度直方图发现，两次扫描图像高度相似，强度分布高度重叠，仅见轻微偏差。3.2 区域级分析：通过区域均值计算CV、%RC和ICC发现，重复性强烈依赖对比和脑区。MP2RAGE T₁图表现最佳（中位CV=0.97%，中位%RC=3.31%，中位ICC=0.82；海马ICC=0.30，CSF ICC=0.98）。FLAIR变异性较高（中位CV=4.8%，中位%RC=17.13%，中位ICC=0.645）。CEST中Amines中位CV=6.5%、中位%RC=24.17%、中位ICC=0.692；Hydroxy中位CV=6.92%、中位%RC=27.08%，中位ICC=0.26，为全部28个对比中最差；ANOE在CEST中最佳（中位CV=1.15%，中位%RC=4.29%，中位ICC=0.836）。QSM相关对比中，T₂^*图优于SMWI；B₀图和磁化率因数值接近零，CV/%RC不适用，ICC分别为0.838和0.75。QTI中MD最佳（中位CV=1.52%，中位%RC=5.31%，中位ICC=0.86），K_bulk和C_c变异性较高。²³Na短脉冲（SP）中位CV=7.44%、中位%RC=25.91%、中位ICC=0.513，45.9%区域可靠性差，仅2.0%达到好/优。总体上，CV较高常伴随%RC较高，ICC多呈相反方向；空间图显示低CV/高ICC区域较均匀，而CEST Amines/Hydroxy、QTI K_bulk/C_c和²³Na SP在小深部灰质结构更异质；CEST Amides在丘脑出现明显左右不对称（ICC约?0.29对0.70），ICC的95%置信区间较宽（中位宽度0.67）。3.3 体素级分析：通过扫描间差图和皮尔逊相关发现，MP2RAGE对比体素差很小，B₁图（DREAM）和B₀图差较大且具明显空间依赖，²³Na图差亦较大；大多数区域-对比组合r>0.6，V_shear和²³Na长脉冲（LP）相关较低，并在深部灰质进一步下降。配对检验经FDR校正后，仅²³Na LP和SP存在显著系统扫描-再扫描差异（校正p=0.0345），其他对比无显著系统差异。

讨论部分总结认为，该扩展7 T协议在单个体素水平上总体可重复，但重复性取决于对比类型和解剖区域；约85%对比在多数区域表现稳定，低变异和中高ICC并存，重复采集间体素相关较高；小且深的灰质结构（海马、丘脑）异质性更大，左右不对称可能与小区域部分容积效应、配准误差、局部离群值及样本量有限有关，不应直接解释为生物学半球差异。23Na结果与部分文献接近，系统偏移可能源于头位变化导致局部B₀/B₁及射频校准差异，而非生理变化。形态学T₁图重复性高，但海马等区域ICC降低。QSM中T₂^*和SMWI较稳定，B₀的%RC异常主要反映指标不适用于近零均值数据，其体素相关很高。CEST在低饱和功率下稳定，高功率胺和羟基对比变异较大。QTI中MD较稳，topup畸变校正在个别受试者中导致重复扫描几何不一致。体素级分析显示CSF空间一致性最高，GM最低；B₀/B₁场图对局部不均匀性敏感，提示准确匀场和场图校正的重要性。局限包括样本量n=12导致ICC精度有限、刚性配准不能处理形态变化、多对比配准插值误差、Subject 5的²³Na图像因扫描设置错误损坏、小结构部分容积效应，以及CV不适用于B₀图和磁化率图。研究结论翻译为：多参数7 T协议在形态学、CEST、QSM、QTI和²³Na对比中提供可重复的定量脑成像；多数对比显示低%RC和高ICC；扫描间体素级一致性高，确认空间模式稳定；重复性降低主要见于²³Na及部分QTI和CEST对比；总体结果表明，扩展的体素级多对比MRI在超高场强下可行且可重复，为基于体素组学的进一步应用提供稳健基础。