定量磁共振T1/T2弛豫测量技术的比较评估：体模与人脑在3T下的内在差异、可重复性及分布特征

《NeuroImage》：Intrinsic Divergence, Repeatability, and Distributional Fingerprints of VFA, ME-SE, MDME, and MRF: A Comparative Evaluation of Quantitative T 1/T 2 Relaxometry in Phantom and Human Brain at 3 T

本研究针对定量MRI（qMRI）弛豫测量中跨方法和跨中心比较的标准化难题，系统评估了三种临床脑部T1/T2弛豫测量技术（VFA/ME-SE、MDME和MRF）在统一3T条件下的准确性、可重复性和分布特征。研究人员利用标准化体模和健康志愿者队列，发现尽管所有方法均显示出良好的站点间可重复性（CV<5%），但它们之间存在显著的系统性偏差：VFA会高估T1，MDME会低估T1，而ME-SE和MDME测得的T2值在富含铁的区域近乎是MRF的两倍。这些差异源于专有重建和信号编码原理（瞬态vs.稳态）的根本不同。研究结果为跨方法、跨扫描仪和跨研究站点标准化脑qMRI弛豫测量提供了定量基准和实践框架，对推动其临床转化具有重要意义。

　　

在磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging, MRI）领域，将物理原理转化为精准的、可量化的生物标志物一直是研究人员追求的目标。自20世纪70年代起，对纵向弛豫时间（T₁）和横向弛豫时间（T₂）进行定量绘图（Quantitative Mapping）的技术就开始被探索，它们能非侵入性地反映组织的微观结构、水含量和大分子组成，为洞察生理和病理过程提供了窗口。尽管弛豫测量技术（Relaxometry）在表征正常脑发育、脱髓鞘、肿瘤异质性和神经退行性变化等方面展现出巨大潜力，但其临床广泛应用，尤其是在脑部，仍然受限。这背后的挑战错综复杂：不同脑部病变之间弛豫时间的差异非常细微，而运动伪影、磁场不均匀性、脑脊液部分容积效应、磁化转移（Magnetization Transfer, MT）效应、B₁不均匀性等多种因素共同干扰了准确的量化，导致结果难以重复。此外，缺乏普遍接受的采集标准或规范数据库，以及方法和厂商之间的不一致性，更是阻碍定量MRI标准化的主要障碍。

为了打破这一僵局，推动脑定量MRI的临床标准化，一项发表在《NeuroImage》上的研究应运而生。该研究首次在统一的实验设计下，系统性地比较了代表三代定量MRI技术的临床实现方案：传统的可变翻转角（Variable Flip-Angle, VFA）结合多回波自旋回波（Multi-Echo Spin-Echo, ME-SE）、可同时估算T₁、T₂和质子密度的多动态多回波（Multi-Dynamic Multi-Echo, MDME，或称合成MRI），以及基于伪随机瞬态状态采样的磁共振指纹（Magnetic Resonance Fingerprinting, MRF）。

研究方法的核心要素

本研究设计严谨，包含三个核心部分：1) 使用标准化的ISMRM/NIST系统体模来量化每种弛豫测量技术的准确性和偏差；2) 一个包含12名健康志愿者的多中心“流动人脑”队列，用于评估跨扫描仪的可重复性；3) 一个包含38名健康志愿者的单中心人群队列，用于表征群体水平的T₁-T₂分布“指纹”并评估生物学敏感性。所有扫描均在配置完全相同的3T MRI系统上完成。图像处理采用了基于人工智能的高精度分割流程（MindGlide和SynthSeg）进行区域分析，并进行了详细的统计比较。

研究结果揭示技术差异与生物学洞察

3.1. 体模准确性与稳定性

在体模验证中，MRF在整个生理范围内达到了最高的准确性和稳定性。相比之下，VFA和ME-SE显示出更宽的偏差范围。MDME对T₁表现出比例性负偏差（随T₁值增加，低估更明显），而ME-SE对T₂表现出显著的比例性正偏差。分布分析显示，MRF在不同扫描会话间保持稳健稳定性，而ME-SE在长T₂值时精度显著下降，VFA则表现出较高的体素间方差。

3.2. 跨扫描仪可重复性

在“流动人脑”实验中，所有方法在相同的硬件环境下均表现出优异的跨站点可重复性，变异系数（Coefficient of Variation, CV）普遍低于5%。其中，MDME在T₁和T₂测量上表现出最低的平均跨站点CV，MRF在T₁上稳定性最高（CV=0.61%），而MDME在T₂上稳定性最高（CV=0.42%）。

3.3. 群体水平差异

在38名志愿者的单中心数据分析中，发现了显著的跨方法系统性偏差。对于T₁，相对于MRF，VFA系统性高估T₁（尤其在深部灰质中），而MDME系统性低估T₁。对于T₂，观察到一个根本性的基线偏移：ME-SE和MDME在富含铁的区域（如丘脑）测得的T₂值几乎是MRF的两倍。核密度估计（Kernel Density Estimation, KDE）显示，不同方法产生的T₁和T₂值分布形态（如宽度、偏度、峰度）也存在显著差异，形成了独特的“定量方言”（Quantitative Dialects）。补充实验证实，这些偏移源于专有重建和信号编码差异（瞬态状态与稳态），而非简单的协议参数限制。1–T₂distributions in GM and WM.">

3.4. 区域特异性弛豫测量与生物学协变量

高精度分割管道增强了对区域特异性偏差和年龄相关趋势的检测灵敏度。所有方法均检测到额叶白质中T₁随年龄增长而显著缩短。在性别效应方面，VFA在脑白质T₁值上显示出显著的性别偏差，而MDME和MRF则未观察到统计学上的显著差异，提示后两种方法在跨人口统计学标准化方面可能更具鲁棒性。1 relaxometry profiles and age-related relaxometry trends"> 2 relaxometry profiles and age-related relaxometry trends">

结论与意义：为定量MRI标准化铺路

这项研究通过整合体模验证、多中心可重复性测试和群体水平分析，全面比较了主流弛豫测量方法。研究结果表明，VFA/ME-SE、MDME和MRF由于内在信号编码原理的不同，会产生截然不同的绝对定量值，这些“定量方言”使得不同方法的结果不能直接比较或合并分析。研究强调了从粗略阈值分割转向基于AI的精细化分割管道，能显著提升生物标志物对生理性老化等细微变化的检测灵敏度。此外，研究也揭示了临床序列实现中存在的“黑箱”挑战，即厂商专有的、未公开的重建优化步骤会影响定量结果，这凸显了在定量MRI研究中需要更透明的重建框架和独立工具。

该研究为跨方法、跨扫描仪和跨研究站点标准化脑定量MRI弛豫测量提供了亟需的定量基准和实用指南。其框架和发现对于旨在实现可重复、具有生物学意义的组织量化的纵向和多中心研究至关重要，将有力地推动定量MRI在科研和临床中的可靠应用。