醫學計量在臨床定量核磁共振中的作用與價值

【摘要】核磁共振（MRI）成像是臨床決策中重要的診斷工具。在既往臨床應用中，MRI主要用于定性檢測。隨著醫學技術發展，定量MRI逐漸應用于臨床，為組織體積定量測量提供依據。為確保參數測量的可靠性及可重復性，做好相關計量工作十分重要。基于此，文章通過總結、分析既往肝鐵濃度、脂肪分數、ADC值等定量MRI相關生物標志物，結合生物標志物的定量測量方式、過程等，探討醫學計量在臨床定量MRI中的作用與價值，為計量學在定量MRI分析中的應用提供理論參考。

【關鍵詞】醫學計量；磁共振成像；定量分析；標志物

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.03.052

The Role and Value of Medical Metrology in Clinical Quantitative MRI

BAO Huaqing

（Zhejiang Weikang Testing Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310051，China）

Abstract：Magnetic resonance imaging（MRI）is an important diagnostic tool in clinical decision-making. In previous clinical applications，MRI was mainly used for qualitative detection. With the development of medical technology，quantitative MRI has gradually been widely used in clinic to provide a basis for quantitative measurement of tissue volume. In order to ensure the reliability and repeatability of parameter measurement，it is very important to do a good job in relevant measurement. Based on this，the article discusses the role and value of medical metrology in clinical quantitative MRI by summarizing and analyzing the previous quantitative MRI biomarkers such as liver iron concentration，fat fraction，ADC value，and combining the quantitative measurement methods and processes of biomarkers，and provides theoretical reference for the application of metrology in quantitative MRI analysis.

Key words：medical metrology；magnetic resonance imaging；quantitative analysis；marker

近年來，定量成像技術在醫療保健領域的發展和應用越來越多。為更好地將成像技術應用于臨床決策，成像數量的偏差、不確定性和可重復性需要在計量科學提供的框架下進行量化和評估。隨著定量成像技術的不斷發展，我們有必要開始將計量學納入常規應用，以便深入了解如何使用這些值來最大化其有效性，同時將錯誤風險降至最低。本文將從計量學視角對定量MRI進行綜述。

1定量MRI

MRI是檢查組織結構和功能的重要工具，它能夠診斷疾病和監測病理，是開發新療法的重要工具，并在治療計劃中有應用。許多已建立和新興的應用需要對某些物理性質進行定量估計（測量），如腫瘤體積等。

磁共振成像中圖像的形成和參數的估計是一個復雜、多步驟過程。獲取和處理都是偏差和不確定性的潛在來源。這意味著，為有效地利用qMRI數據，對MRI儀器和相關圖像分析工具進行仔細校準和測試是至關重要的，這與目前使用電離輻射的成像方式類似。

目前醫生要求的MRI檢查以定性居多。圖像對比度是相對的，從圖像中缺乏定量參數。這類圖像對于提供關于個別患者的臨床決策非常有用，但對于在患者組或時間點組之間進行比較則存在一定問題（沒有報道的不確定性），而且不同的掃描儀給出的強度不同。此外，掃描儀的性能可能會隨著時間的推移而產生漂移，并在維修或升級后經歷階躍變化。定量測量過程允許磁共振掃描推斷參數，可以追溯到可驗證的物理量，從而提高一致性。這使得進行大規模研究更加實際，因為圖像可以根據相同的標準進行處理和分析。

2計量學

計量學是研究測量過程的學科。國際計量局（BIPM）將計量定義為“測量科學，包括任何科學技術領域中任何不確定程度的實驗和理論測定”。這是直接將任何給定的測量與確定該單位的主要標準（如米、秒等）聯系起來的一系列比較。

Smith Nadia A S[1]在研究成果中強調計量學在衛生保健中的重要性。要在qMRI中實現這樣高度的嚴謹，需要更多關于可追溯性等概念的教育和認識。理解不確定度如何在測量過程中傳播是至關重要的。如果沒有這一點，看似微不足道的變量可能會被忽略，使它們對預期結果的影響被低估。BIPM將數量定義為：“一種現象、物體或物質的屬性，其中屬性具有可以用數字和參考來表示的大小”。BIPM將參考數據定義為“與現象、物體或物質的屬性相關的數據，或與已知成分或結構的組件系統相關的數據，從確定的來源獲得，經過嚴格評估和準確性驗證”。在qMRI中，數字是由掃描儀測量得出的值，而計量學則提供了定義這些測量值的能力。如果測量假體樣本的設備中存在不確定度，那么在對樣本進行測量時，這種不確定度會導致該測試對象的結果存在總體不確定度。

3定量的生物標志物

生物標志物一般是指可供客觀測定和評價的一個普通生理或病理或治療過程中的某種特征性的生化指標，通過對它的測定可以獲知機體當前所處的生物學過程中的進程[2-4]。生物標志物可以通過多種方式進行測量。例如，臨床中用于監測腎臟疾病的尿肽含量[5]，用于胰腺癌早期診斷的基于血液的microRNA分析[6]，用于腫瘤反應的RECIST系統[7]，以及活檢中循環腫瘤細胞（CTC）的存在[8]。生物標志物如CTC的存在一直是重要研究的主題，在各種癌癥中，人們已經充分了解其存在與轉移風險之間的生物學機制[9]。定量成像生物標志物（QIB）是專門從定量成像技術中提取的生物標志物，即可以從給定圖像中定量測量屬性的生物標志物。基于圖像的生物標記物具有廣泛覆蓋感興趣組織的優點。MRI提供了豐富的成像生物標志物，如表面擴散系數（ADC）、脂肪分數、鐵含量等，通常比其他方法對患者產生的風險更低。

任何用于臨床決策的生物標志物都需要相關的臨床指南。為可靠和安全地使用這些方法，所做的測量要有相應的不確定度。結果接近診斷閾值的邊緣病例可以通過考慮結果及其不確定性如何來解決。不恰當地采用未經充分驗證的生物標志物可能會危及患者的生命，如在心律失常抑制試驗中[10]，強調擁有經過充分驗證的測量技術和不確定度分析的重要性。

臨床試驗最簡單的形式是通過比較治療組和對照組來測試一種新療法。該研究的統計能力對于證明治療效果至關重要。但當效應量很小時，它們很容易被組內的變異性所掩蓋。解決這一問題的傳統方法是增加樣本量，但這樣會增加成本，且對于更罕見病，增加樣本量是實現不了的。通過減少試驗點間的變異，使試驗的統計效力增加，而不增加樣本量，從而不增加成本。在量化測量過程中，不確定性和偏差是必須校準的因素，以最小化站點間可變性提高統計能力。

4臨床中常用的定量MRI

4.1肝臟鐵含量測定

弛豫法的一個顯著應用是肝鐵濃度（LIC）的測量。這種方法用于診斷鐵過載（血色素沉著癥）。它是一種可導致肝硬化、癌癥和心臟病的全身性疾病。由于肝臟是體內儲存鐵的主要部位之一，它也成為第一個顯示鐵過載的器官之一。從歷史上看，肝活檢和組織學是診斷的標準。然而，這是一個侵入性的過程，涉及定性的細胞染色的視覺評估。檢測肝臟中鐵含量升高可以及早治療血色素沉著癥，并將永久性肝損傷降至最低。

鐵的儲存主要涉及鐵蛋白和細胞內發現的復雜血紅素。這兩種分子改變肝實質的T2和T2*，能夠使用松弛測量技術進行檢測和定量。定性檢測可以使用快速自旋回波序列進行T2加權成像，單回波梯度回波（GRE）序列進行T2*加權成像，但這些方法無法準確評估鐵過載的程度。LIC的定量測量可以更準確地診斷疾病，從而采取更明智的治療方案。在LIC量化中，常用的方法是通過測量與T2弛豫相關的信號衰減速率R2來進行。其中，R2被定義為R2=1/T2。R2因為可以降低噪聲的敏感性，并且還提供一個容易擬合的模型，將其與鐵濃度聯系起來，從而得到廣泛應用。R2是通過將信號曲線與多回波數據擬合來測量的。R2與LIC之間的關系可以進一步量化肝臟鐵含量，目前被認為是LIC MR測量的標準。

4.2脂肪分數

脂肪在組織中的比例也是一個重要的基于圖像的生物標志物。它被稱為質子密度脂肪分數（PDFF）。非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）是一種以肝細胞中過多脂肪沉積為特征的臨床病理綜合征，是肝臟疾病最常見的原因之一。過去診斷NAFLD的標準是肝活檢和組織學檢查。這是一種侵入性手術，并發癥風險高。由于NAFLD的異質性，其對于肝臟健康存在顯著負面影響。

PDFF可以用核磁共振定量測量。脂肪和水中質子所處的化學環境不同，導致對應用場的響應產生不同的共振頻率。因此，從脂肪中的質子檢測到的MR信號顯示出與水中的質子的頻率漂移和不同的回波時間。通過仔細選擇回波次數，可以測量水和脂肪信號的同相（IP）和異相（OP），進而可根據信號之間的差異進行脂肪定量，即狄克遜成像（Dixon imaging）。在最初形式中，狄克遜成像分別通過IP圖像和OP圖像的和與和差產生脂肪圖像和水圖像。然而，這種技術假設信號的主要成分是水，因此可能導致不正確的結果。與CT或超聲不同，基于MRI的肝脂肪檢查方法對脂肪變性的敏感性要高得多，并且可以將脂肪變性與鐵過載區分開來。

4.3ADC值

在MR脈沖序列中應用額外的脈沖場梯度可以使信號對自旋的大量非相干運動敏感，這被稱為擴散加權成像（DWI），其中測量的量是ADC。DWI被廣泛應用于腦卒中的檢查。早期腦缺血梗死與細胞毒性水腫有關。當細胞外體積因腫脹而減少時，用DWI觀察到的ADC也相應減少。隨著梗死從亞急性期發展到慢性中風，由于腦物質的溶解，細胞外體積增加，允許更多的水各向同性擴散，從而導致高ADC，這種情況發生逆轉。彌散MRI是缺血性腦卒中分期和監測的重要工具。

擴散成像可用于獲取一組應用于不同方向的梯度圖像，進而測量ADC的方向差異。方向擴散的測量通常使用張量進行擬合，這種技術被稱為擴散張量成像（DTI）或更詳細和靈活的模型（HARDI）。通過提取ADC最大化的方向，DTI和HARDI都可以提供對底層組織方向的估計，這在纖維組織中有應用，如白質。氣管造影使用DWI來非侵入性地重建大腦中的白質結構，能夠進行腦結構的活體測繪，對神經外科非常有益，可用于術前規劃以及提供術中神經導航。

DWI也可用于治療腫瘤后期生長的監測。在腫瘤組織生長的監測中，區分真正的腫瘤復發和放射治療引起的組織非腫瘤性變化具備重要意義。在腫瘤等細胞密集生長的區域中，自旋所經歷的擴散微環境與在壞死組織中的擴散微環境不同。這導致擴散張量的形狀和大小發生變化，可用于制定治療計劃和監測患者的反應。

5總結

綜上所述，基于醫學計量的定量MRI技術在病理的診斷、病因和治療監測中具有重要意義。為增強準確性，實施MR衍生生物標記物的計量學至關重要。基于計量學基礎的qMRI提供了一個新型生物標志物的框架，為新一代臨床技術、個性化護理等提供有力支持。

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【作者簡介】

包華清，男，1986年出生，工程師，研究方向為計量技術與應用。

（編輯：謝飛燕）