医学计量在临床定量核磁共振中的作用与价值

【摘要】核磁共振（MRI）成像是临床决策中重要的诊断工具。在既往临床应用中，MRI主要用于定性检测。随着医学技术发展，定量MRI逐渐应用于临床，为组织体积定量测量提供依据。为确保参数测量的可靠性及可重复性，做好相关计量工作十分重要。基于此，文章通过总结、分析既往肝铁浓度、脂肪分数、ADC值等定量MRI相关生物标志物，结合生物标志物的定量测量方式、过程等，探讨医学计量在临床定量MRI中的作用与价值，为计量学在定量MRI分析中的应用提供理论参考。

【关键词】医学计量；磁共振成像；定量分析；标志物

【DOI编码】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，定量成像技术在医疗保健领域的发展和应用越来越多。为更好地将成像技术应用于临床决策，成像数量的偏差、不确定性和可重复性需要在计量科学提供的框架下进行量化和评估。随着定量成像技术的不断发展，我们有必要开始将计量学纳入常规应用，以便深入了解如何使用这些值来最大化其有效性，同时将错误风险降至最低。本文将从计量学视角对定量MRI进行综述。

1定量MRI

MRI是检查组织结构和功能的重要工具，它能够诊断疾病和监测病理，是开发新疗法的重要工具，并在治疗计划中有应用。许多已建立和新兴的应用需要对某些物理性质进行定量估计（测量），如肿瘤体积等。

磁共振成像中图像的形成和参数的估计是一个复杂、多步骤过程。获取和处理都是偏差和不确定性的潜在来源。这意味着，为有效地利用qMRI数据，对MRI仪器和相关图像分析工具进行仔细校准和测试是至关重要的，这与目前使用电离辐射的成像方式类似。

目前医生要求的MRI检查以定性居多。图像对比度是相对的，从图像中缺乏定量参数。这类图像对于提供关于个别患者的临床决策非常有用，但对于在患者组或时间点组之间进行比较则存在一定问题（没有报道的不确定性），而且不同的扫描仪给出的强度不同。此外，扫描仪的性能可能会随着时间的推移而产生漂移，并在维修或升级后经历阶跃变化。定量测量过程允许磁共振扫描推断参数，可以追溯到可验证的物理量，从而提高一致性。这使得进行大规模研究更加实际，因为图像可以根据相同的标准进行处理和分析。

2计量学

计量学是研究测量过程的学科。国际计量局（BIPM）将计量定义为“测量科学，包括任何科学技术领域中任何不确定程度的实验和理论测定”。这是直接将任何给定的测量与确定该单位的主要标准（如米、秒等）联系起来的一系列比较。

Smith Nadia A S[1]在研究成果中强调计量学在卫生保健中的重要性。要在qMRI中实现这样高度的严谨，需要更多关于可追溯性等概念的教育和认识。理解不确定度如何在测量过程中传播是至关重要的。如果没有这一点，看似微不足道的变量可能会被忽略，使它们对预期结果的影响被低估。BIPM将数量定义为：“一种现象、物体或物质的属性，其中属性具有可以用数字和参考来表示的大小”。BIPM将参考数据定义为“与现象、物体或物质的属性相关的数据，或与已知成分或结构的组件系统相关的数据，从确定的来源获得，经过严格评估和准确性验证”。在qMRI中，数字是由扫描仪测量得出的值，而计量学则提供了定义这些测量值的能力。如果测量假体样本的设备中存在不确定度，那么在对样本进行测量时，这种不确定度会导致该测试对象的结果存在总体不确定度。

3定量的生物标志物

生物标志物一般是指可供客观测定和评价的一个普通生理或病理或治疗过程中的某种特征性的生化指标，通过对它的测定可以获知机体当前所处的生物学过程中的进程[2-4]。生物标志物可以通过多种方式进行测量。例如，临床中用于监测肾脏疾病的尿肽含量[5]，用于胰腺癌早期诊断的基于血液的microRNA分析[6]，用于肿瘤反应的RECIST系统[7]，以及活检中循环肿瘤细胞（CTC）的存在[8]。生物标志物如CTC的存在一直是重要研究的主题，在各种癌症中，人们已经充分了解其存在与转移风险之间的生物学机制[9]。定量成像生物标志物（QIB）是专门从定量成像技术中提取的生物标志物，即可以从给定图像中定量测量属性的生物标志物。基于图像的生物标记物具有广泛覆盖感兴趣组织的优点。MRI提供了丰富的成像生物标志物，如表面扩散系数（ADC）、脂肪分数、铁含量等，通常比其他方法对患者产生的风险更低。

任何用于临床决策的生物标志物都需要相关的临床指南。为可靠和安全地使用这些方法，所做的测量要有相应的不确定度。结果接近诊断阈值的边缘病例可以通过考虑结果及其不确定性如何来解决。不恰当地采用未经充分验证的生物标志物可能会危及患者的生命，如在心律失常抑制试验中[10]，强调拥有经过充分验证的测量技术和不确定度分析的重要性。

临床试验最简单的形式是通过比较治疗组和对照组来测试一种新疗法。该研究的统计能力对于证明治疗效果至关重要。但当效应量很小时，它们很容易被组内的变异性所掩盖。解决这一问题的传统方法是增加样本量，但这样会增加成本，且对于更罕见病，增加样本量是实现不了的。通过减少试验点间的变异，使试验的统计效力增加，而不增加样本量，从而不增加成本。在量化测量过程中，不确定性和偏差是必须校准的因素，以最小化站点间可变性提高统计能力。

4临床中常用的定量MRI

4.1肝脏铁含量测定

弛豫法的一个显著应用是肝铁浓度（LIC）的测量。这种方法用于诊断铁过载（血色素沉着症）。它是一种可导致肝硬化、癌症和心脏病的全身性疾病。由于肝脏是体内储存铁的主要部位之一，它也成为第一个显示铁过载的器官之一。从历史上看，肝活检和组织学是诊断的标准。然而，这是一个侵入性的过程，涉及定性的细胞染色的视觉评估。检测肝脏中铁含量升高可以及早治疗血色素沉着症，并将永久性肝损伤降至最低。

铁的储存主要涉及铁蛋白和细胞内发现的复杂血红素。这两种分子改变肝实质的T2和T2*，能够使用松弛测量技术进行检测和定量。定性检测可以使用快速自旋回波序列进行T2加权成像，单回波梯度回波（GRE）序列进行T2*加权成像，但这些方法无法准确评估铁过载的程度。LIC的定量测量可以更准确地诊断疾病，从而采取更明智的治疗方案。在LIC量化中，常用的方法是通过测量与T2弛豫相关的信号衰减速率R2来进行。其中，R2被定义为R2=1/T2。R2因为可以降低噪声的敏感性，并且还提供一个容易拟合的模型，将其与铁浓度联系起来，从而得到广泛应用。R2是通过将信号曲线与多回波数据拟合来测量的。R2与LIC之间的关系可以进一步量化肝脏铁含量，目前被认为是LIC MR测量的标准。

4.2脂肪分数

脂肪在组织中的比例也是一个重要的基于图像的生物标志物。它被称为质子密度脂肪分数（PDFF）。非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）是一种以肝细胞中过多脂肪沉积为特征的临床病理综合征，是肝脏疾病最常见的原因之一。过去诊断NAFLD的标准是肝活检和组织学检查。这是一种侵入性手术，并发症风险高。由于NAFLD的异质性，其对于肝脏健康存在显著负面影响。

PDFF可以用核磁共振定量测量。脂肪和水中质子所处的化学环境不同，导致对应用场的响应产生不同的共振频率。因此，从脂肪中的质子检测到的MR信号显示出与水中的质子的频率漂移和不同的回波时间。通过仔细选择回波次数，可以测量水和脂肪信号的同相（IP）和异相（OP），进而可根据信号之间的差异进行脂肪定量，即狄克逊成像（Dixon imaging）。在最初形式中，狄克逊成像分别通过IP图像和OP图像的和与和差产生脂肪图像和水图像。然而，这种技术假设信号的主要成分是水，因此可能导致不正确的结果。与CT或超声不同，基于MRI的肝脂肪检查方法对脂肪变性的敏感性要高得多，并且可以将脂肪变性与铁过载区分开来。

4.3ADC值

在MR脉冲序列中应用额外的脉冲场梯度可以使信号对自旋的大量非相干运动敏感，这被称为扩散加权成像（DWI），其中测量的量是ADC。DWI被广泛应用于脑卒中的检查。早期脑缺血梗死与细胞毒性水肿有关。当细胞外体积因腫胀而减少时，用DWI观察到的ADC也相应减少。随着梗死从亚急性期发展到慢性中风，由于脑物质的溶解，细胞外体积增加，允许更多的水各向同性扩散，从而导致高ADC，这种情况发生逆转。弥散MRI是缺血性脑卒中分期和监测的重要工具。

扩散成像可用于获取一组应用于不同方向的梯度图像，进而测量ADC的方向差异。方向扩散的测量通常使用张量进行拟合，这种技术被称为扩散张量成像（DTI）或更详细和灵活的模型（HARDI）。通过提取ADC最大化的方向，DTI和HARDI都可以提供对底层组织方向的估计，这在纤维组织中有应用，如白质。气管造影使用DWI来非侵入性地重建大脑中的白质结构，能够进行脑结构的活体测绘，对神经外科非常有益，可用于术前规划以及提供术中神经导航。

DWI也可用于治疗肿瘤后期生长的监测。在肿瘤组织生长的监测中，区分真正的肿瘤复发和放射治疗引起的组织非肿瘤性变化具备重要意义。在肿瘤等细胞密集生长的区域中，自旋所经历的扩散微环境与在坏死组织中的扩散微环境不同。这导致扩散张量的形状和大小发生变化，可用于制定治疗计划和监测患者的反应。

5总结

综上所述，基于医学计量的定量MRI技术在病理的诊断、病因和治疗监测中具有重要意义。为增强准确性，实施MR衍生生物标记物的计量学至关重要。基于计量学基础的qMRI提供了一个新型生物标志物的框架，为新一代临床技术、个性化护理等提供有力支持。

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[10]朱树雄.CAST：心律失常抑制试验[J].岭南心血管病杂志，2004（4）：255.

【作者简介】

包华清，男，1986年出生，工程师，研究方向为计量技术与应用。

（编辑：谢飞燕）