多中心協(xié)同磁共振成像研究的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)

摘要：本文針對多中心協(xié)同磁共振成像研究的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)進(jìn)行分析。近年來，基于水模的磁共振質(zhì)量控制技術(shù)發(fā)展迅速，對技術(shù)背景、磁共振數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的必要性、水模在磁共振數(shù)據(jù)質(zhì)量控制中的作用進(jìn)行研究對磁共振醫(yī)學(xué)技術(shù)發(fā)展具有重要作用。

關(guān)鍵詞：磁共振成像，質(zhì)量控制，水模，多中心研究

背景：醫(yī)療數(shù)據(jù)中有超過90%的數(shù)據(jù)來自于醫(yī)學(xué)影像，而且這些數(shù)據(jù)大多采用人工分析。隨著計算機性能的提升和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學(xué)、信息學(xué)、醫(yī)學(xué)的多學(xué)科交叉的深入，醫(yī)學(xué)大數(shù)據(jù)的深度挖掘和智能診斷成為可能。

精確的統(tǒng)計分析、有效的機器學(xué)習(xí)和精準(zhǔn)的智能分類、診斷都有賴于大數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)間的一致性和可比性在統(tǒng)計分析中起著非常關(guān)鍵的作用。

磁共振成像作為一種無創(chuàng)、無輻射的醫(yī)學(xué)影像手段，一種腦認(rèn)知和腦疾病診斷的有效工具，受到了廣大病患、醫(yī)務(wù)人員和神經(jīng)認(rèn)知科學(xué)研究人員的喜愛，近年來磁共振技術(shù)也得到了快速的發(fā)展?；诖殴舱癯上竦亩嘀行膮f(xié)同疾病診治方案研究、人腦圖譜計劃研究、認(rèn)知科學(xué)研究成為國內(nèi)外備受關(guān)注的熱點之一。相應(yīng)的，磁共振成像質(zhì)量控制技術(shù)研究也得到了越來越多的關(guān)注。

一、磁共振數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的必要性

大多數(shù)基于磁共振醫(yī)學(xué)影像的醫(yī)學(xué)診斷研究項目，尤其是用于大數(shù)據(jù)挖掘、深度機器學(xué)習(xí)的智能醫(yī)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(qū)間的差異），都必須涉及多中心實驗，甚至是跨地區(qū)跨國的多中心聯(lián)合實驗。從科學(xué)性出發(fā)，要求實驗數(shù)據(jù)的可比性，減少和物理硬件帶來的差異。研究越多，各機構(gòu)的設(shè)備條件、工作常規(guī)也可能有差別。要進(jìn)行多中心試驗，就必須盡量設(shè)法定量測量和控制差別，減少其對最終判斷結(jié)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(yī)院發(fā)起，浙江大學(xué)等十家西門子Prisma 3T磁共振用戶單位共同承擔(dān)中國人腦圖譜多中心研究計劃中，我們團(tuán)隊開展了多中心質(zhì)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(shè)備上進(jìn)行掃描并分析。測試發(fā)現(xiàn)，采用挑戰(zhàn)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(fā)現(xiàn)差異，及時請工程師進(jìn)行深層次的硬件性能調(diào)試、優(yōu)化，再開展進(jìn)一步的測試，能夠有效地提高機器的穩(wěn)定性和多中心數(shù)據(jù)的可比性。

二、水模在磁共振數(shù)據(jù)質(zhì)量控制中的作用

數(shù)據(jù)質(zhì)量控制涉及到多個方面，包括建立標(biāo)準(zhǔn)化的操作方案和流程，檢測設(shè)備等研究環(huán)境的相對統(tǒng)一、操作人員的培訓(xùn)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(tài)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(rèn)知功能或者是腦疾病引起的，而不是因為磁共振設(shè)備本身或者設(shè)備間差異造成的，首先必須排除設(shè)備本身及不同中心設(shè)備間的差異。這就需要引入擔(dān)任公證角色的標(biāo)準(zhǔn)模具，由于模具通常內(nèi)部含有水溶液或者凝膠，稱之為“水?！?。在進(jìn)行人體掃描前，先對同一個水?；蛘咄慌畏€(wěn)定、一致的水模進(jìn)行掃描，分析數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

三、基于水模的磁共振質(zhì)量控制技術(shù)

近年來，磁共振水模的發(fā)展呈現(xiàn)了精細(xì)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(diào)試用結(jié)構(gòu)性單一對比水模，逐漸發(fā)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(jié)構(gòu)上，從以柱形、球形為逐漸發(fā)展到模擬大腦結(jié)構(gòu)，甚至模擬腦部眶額、顱底等空氣組織界面容易產(chǎn)生圖像偽影的結(jié)構(gòu)，使得水模在掃描參數(shù)設(shè)置和質(zhì)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(fā)展成灰白質(zhì)對比，模擬腫瘤等，出現(xiàn)了乳腺、肝臟等特定組織結(jié)構(gòu)的水模；水模材料的選取上，朝著接近可食用、廉價方向發(fā)展。

2017年的國際磁共振學(xué)術(shù)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(xué)醫(yī)學(xué)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(xué)對模擬人腦纖維的中空電紡絲纖維水模進(jìn)行了為期30個月的穩(wěn)定性測試，得到了較好的結(jié)果；哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院、加州大學(xué)伯克利分校等研究機構(gòu)采用3D打印技術(shù)研制了模擬腦外部結(jié)構(gòu)的水模，有研究團(tuán)隊正在采用不同的3D打印材料結(jié)合溶液、溶膠區(qū)分人腦灰白質(zhì)和腦脊液；日本京都大學(xué)團(tuán)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(zhì)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(shè)備進(jìn)行了長期測試觀察，將主要性能指標(biāo)繪制成曲線，多次及時發(fā)現(xiàn)信號異常并找到了線圈接觸松動、水冷系統(tǒng)漏水等問題，使設(shè)備在第一時間可以得到維護(hù)；我們浙大團(tuán)隊用PVP凝膠水模對多中心磁共振數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，確保了多中心腦圖譜研究項目數(shù)據(jù)間的可比性。

結(jié)論：

水模作為磁共振成像數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的重要而實用的工具，越來越得到磁共振技術(shù)研究者的重視。近年來發(fā)展迅速的3D打印技術(shù)和新材料技術(shù)促成水模加工技術(shù)的發(fā)展，使其能更好地模擬人體的實際結(jié)構(gòu)和特征。目前，滿足單一功能的水模逐漸成熟，穩(wěn)定性也在不斷提升。我們正在挑戰(zhàn)更接近人腦的綜合性水模，同時能集成灰質(zhì)、白質(zhì)、神經(jīng)纖維，并且充分考慮可能影響成像畸變的腦外部結(jié)構(gòu)。廉價、穩(wěn)定，更逼真的腦結(jié)構(gòu)模擬水模，結(jié)合智能化的數(shù)據(jù)質(zhì)量評估軟件，將對磁共振數(shù)據(jù)的可靠性提供很好的保障，為多中心協(xié)同大數(shù)據(jù)挖掘，進(jìn)而為人們更好地認(rèn)知腦、治療腦、利用腦做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[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(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院，腦影像科學(xué)技術(shù)中心磁共振技術(shù)人員。

基金項目：浙江省教育廳科研項目資助（項目號：Y201534092）