多中心協同磁共振成像研究的數據質量控制技術

摘要：本文針對多中心協同磁共振成像研究的數據質量控制技術進行分析。近年來，基于水模的磁共振質量控制技術發展迅速，對技術背景、磁共振數據質量控制的必要性、水模在磁共振數據質量控制中的作用進行研究對磁共振醫學技術發展具有重要作用。

關鍵詞：磁共振成像，質量控制，水模，多中心研究

背景：醫療數據中有超過90%的數據來自于醫學影像，而且這些數據大多采用人工分析。隨著計算機性能的提升和網絡技術的發展，數學、信息學、醫學的多學科交叉的深入，醫學大數據的深度挖掘和智能診斷成為可能。

精確的統計分析、有效的機器學習和精準的智能分類、診斷都有賴于大數據，數據間的一致性和可比性在統計分析中起著非常關鍵的作用。

磁共振成像作為一種無創、無輻射的醫學影像手段，一種腦認知和腦疾病診斷的有效工具，受到了廣大病患、醫務人員和神經認知科學研究人員的喜愛，近年來磁共振技術也得到了快速的發展。基于磁共振成像的多中心協同疾病診治方案研究、人腦圖譜計劃研究、認知科學研究成為國內外備受關注的熱點之一。相應的，磁共振成像質量控制技術研究也得到了越來越多的關注。

一、磁共振數據質量控制的必要性

大多數基于磁共振醫學影像的醫學診斷研究項目，尤其是用于大數據挖掘、深度機器學習的智能醫療，都不是一個中心能完成的（特別是很多項目需要考慮地區間的差異），都必須涉及多中心實驗，甚至是跨地區跨國的多中心聯合實驗。從科學性出發，要求實驗數據的可比性，減少和物理硬件帶來的差異。研究越多，各機構的設備條件、工作常規也可能有差別。要進行多中心試驗，就必須盡量設法定量測量和控制差別，減少其對最終判斷結果的影響。

從磁共振影像研究角度，即使用同一機型的機器，也可能存在差異。北京宣武醫院發起，浙江大學等十家西門子Prisma 3T磁共振用戶單位共同承擔中國人腦圖譜多中心研究計劃中，我們團隊開展了多中心質量控制研究，用PVP凝膠水模和相同的人體被試在這些同廠家同型號的磁共振設備上進行掃描并分析。測試發現，采用挑戰機器梯度性能極限的高b值、多角度彌散成像序列時，即使是相同的廠家、相同的機型，也存在一定的差異，在開展正式批量掃描前及時發現差異，及時請工程師進行深層次的硬件性能調試、優化，再開展進一步的測試，能夠有效地提高機器的穩定性和多中心數據的可比性。

二、水模在磁共振數據質量控制中的作用

數據質量控制涉及到多個方面，包括建立標準化的操作方案和流程，檢測設備等研究環境的相對統一、操作人員的培訓等。磁共振成像具有掃描時間長、對溫度敏感、運動對圖像影響較大等特點。特別是功能磁共振，即使同一個人，不同狀態下信號激活情況存在很大的差別，腦功能的連接早晚之間都存在一定的差異。要定位這些差異是因為認知功能或者是腦疾病引起的，而不是因為磁共振設備本身或者設備間差異造成的，首先必須排除設備本身及不同中心設備間的差異。這就需要引入擔任公證角色的標準模具，由于模具通常內部含有水溶液或者凝膠，稱之為“水?！?。在進行人體掃描前，先對同一個水?；蛘咄慌畏€定、一致的水模進行掃描，分析數據的穩定性。

三、基于水模的磁共振質量控制技術

近年來，磁共振水模的發展呈現了精細化、個性化的特點。從以ACR水模為代表的磁共振工程師檢測調試用結構性單一對比水模，逐漸發展可以模擬水分子擴散程度的到各項同性彌散成像水模，再到多角度的可用于纖維素追蹤模擬的彌散成像水模具；結構上，從以柱形、球形為逐漸發展到模擬大腦結構，甚至模擬腦部眶額、顱底等空氣組織界面容易產生圖像偽影的結構，使得水模在掃描參數設置和質量評估中更接近人腦的真實情況；組織對比上，從之前的單一組織，發展成灰白質對比，模擬腫瘤等，出現了乳腺、肝臟等特定組織結構的水模；水模材料的選取上，朝著接近可食用、廉價方向發展。

2017年的國際磁共振學術年會上，磁共振研究者們從不同的研究角度展示了多樣化的水模。匹茨堡大學醫學中心采用中空纖維研制了各項異性的彌散成像水模，可以用于多角度的彌散成像研究；英國曼切斯特大學對模擬人腦纖維的中空電紡絲纖維水模進行了為期30個月的穩定性測試，得到了較好的結果；哈佛大學醫學院、加州大學伯克利分校等研究機構采用3D打印技術研制了模擬腦外部結構的水模，有研究團隊正在采用不同的3D打印材料結合溶液、溶膠區分人腦灰白質和腦脊液；日本京都大學團隊提出了一種廉價的測量彌散成像ADC/FA值的水模，用于多中心質量控制；德國超高場中心采用自制的凝膠水模對多個中心不同機型的磁共振設備進行了長期測試觀察，將主要性能指標繪制成曲線，多次及時發現信號異常并找到了線圈接觸松動、水冷系統漏水等問題，使設備在第一時間可以得到維護；我們浙大團隊用PVP凝膠水模對多中心磁共振數據進行了對比分析，確保了多中心腦圖譜研究項目數據間的可比性。

結論：

水模作為磁共振成像數據質量控制的重要而實用的工具，越來越得到磁共振技術研究者的重視。近年來發展迅速的3D打印技術和新材料技術促成水模加工技術的發展，使其能更好地模擬人體的實際結構和特征。目前，滿足單一功能的水模逐漸成熟，穩定性也在不斷提升。我們正在挑戰更接近人腦的綜合性水模，同時能集成灰質、白質、神經纖維，并且充分考慮可能影響成像畸變的腦外部結構。廉價、穩定，更逼真的腦結構模擬水模，結合智能化的數據質量評估軟件，將對磁共振數據的可靠性提供很好的保障，為多中心協同大數據挖掘，進而為人們更好地認知腦、治療腦、利用腦做出應有的貢獻。

參考文獻：

[1]中華人民共和國衛生部，WS/T263，醫用磁共振成像（MRI）設備影像質量檢測與評價規范[S]，2006.

[2]Sakai，Koji Nakagawa，Toshiaki Nakai，Ryusuke Ikeno，Hiroyasu Yamaguchi，Seiji Takadama，Hiroaki Yamada，Kei，An Affordable Phantom for ADC/FA；a Device for Multi-Site Studies，ISMRM 25th Annual Meeting Exhibition，2017.

作者簡介：

丁秋萍浙江大學生物醫學工程與儀器科學學院，腦影像科學技術中心磁共振技術人員。

基金項目：浙江省教育廳科研項目資助（項目號：Y201534092）