综述：MRI 计量学：你从未听说过的领域

本文聚焦 MRI 计量学，阐述其原理、重要性、现状及挑战，展望未来发展方向。

　　

一、引言

磁共振成像（MRI）自发明以来，定量方法不断发展，如今已能测量多种物理量，如扩散、血流、磁化率等。然而，临床中 MRI 大多并非定量检测，主要以生成图像供医生视觉解读为主，定量 MRI 仅用于少数特定诊断，且多为半定量应用。其主要原因在于可重复性问题，而计量学正是解决这一问题的关键，它能确保测量的一致性和可比性，为定量 MRI 的发展提供支持。

二、计量学概述

计量学是关于测量的科学，旨在保证不同时间、地点和方法下测量的一致性和可比性，其核心作用之一是确保单位的一致性。通过国家计量研究院（NMIs）等机构的工作，使得国际单位制（SI）得以统一和可靠。在 MRI 领域，定量 MRI 属于测量范畴，计量学可为其提供评估结果可重复性、理解数据集局限性的方法。同时，计量学与标准化紧密相关，参考标准可追溯到 SI 单位，而文件标准则为商业产品合规提供依据，推动技术发展。

三、计量学的重要性

1. 确保测量一致性：测量一致性对科学研究至关重要，它能保证新数据与现有数据集可比，不同实验室的实验证据可直接对比，从而推动科学进步。同时，计量学还能促进最佳测量实践的传播，通过量化测量性能，规范特定情境下的测量方法，提高测量的准确性和可靠性。
2. 支持定量比较：计量学允许对同一物理量的不同测量方法进行定量比较，这对于评估测量过程的性能至关重要。通过将新测量方法与已有可靠方法进行对比，可以校准测量过程，提高测量的准确性。例如，在 MRI 中，不同设备测量同一物理量时，可通过计量学方法进行比较和校准，确保测量结果的一致性。
3. 评估测量不确定性：测量不确定性在比较测量值与已知阈值、评估测量结果的统计显著性等方面具有重要意义。通过量化测量不确定性，可以更好地理解测量结果的可靠性，避免因测量误差导致的错误决策。在 MRI 中，了解测量不确定性对于准确评估疾病状态、制定治疗方案等至关重要。

四、溯源性与国家计量研究院的作用

1. 单位与溯源性：单位是比较物理量的标尺，一致的单位系统对现代社会至关重要。溯源性确保测量设备通过合适的校准链与国际公认的 SI 单位定义相连接，使测量结果具有一致性和可比性。例如，温度计测量的温度需与 SI 单位中的开尔文或摄氏度定义一致，否则不同测量结果将无法比较。
2. 国家计量研究院的职责：NMIs 的主要职责是开发和维护初级标准，并提供测量和校准服务，确保其他测量设备能够溯源到 SI 单位。此外，NMIs 还参与国际比对，与其他国家的计量机构交流合作，共同提高测量的准确性和一致性。目前，多个国家的 NMIs 已开展 MRI 相关的计量学研究和服务。

五、不确定性量化

1. 不确定性的来源与量化方法：不确定性量化需要了解整个测量过程，并量化每个步骤对总体不确定性的贡献。以测量物体长度为例，需考虑参考标准、温度对尺子的影响以及尺子刻度的精度等因素。标准方法可用于组装不确定性预算，在复杂情况下，蒙特卡罗计算常被用于数值评估不确定性。
2. 不确定性的分类：不确定性可分为 A 类和 B 类。A 类不确定性通过对重复测量数据的统计分析得出，B 类不确定性则通过其他方式获得，如文献值、共识值或最佳估计值。在实际测量中，应尽可能分解 A 类不确定性，以更准确地评估测量性能，但有时可能会存在 “暗不确定性”，难以完全量化。

六、放射治疗中的计量学

放射治疗需要精确控制辐射剂量，以确保肿瘤得到有效治疗的同时，尽量减少对周围健康组织的损伤。NMIs 在放射治疗设备的校准和性能维护中发挥着关键作用，通过校准线性加速器等硬件设备，确保辐射剂量的准确性和可追溯性。这一计量学框架直接关系到患者的安全和治疗效果，为放射治疗的实施提供了可靠保障。

七、定量 MRI 及其特点

1. 与传统 MRI 的区别：标准临床 MR 成像的图像强度数据是相对的，缺乏物理参数的数值信息；而定量 MRI（qMRI）则利用扫描仪进行测量，试图获取更准确的物理参数值。然而，qMRI 需要一个完善的计量学框架来评估测量性能，包括测量的不确定性、偏差以及与其他设备测量结果的可比性等，这是传统定性成像方法所不需要的。
2. 生物标志物与计量学的关系：当 MRI 测量的物理量用作生物标志物时，其性能评估和一致性优化变得尤为重要。生物标志物在疾病诊断和治疗监测中具有重要作用，但目前 MRI 生物标志物在临床实践和试验中的应用相对较少。为提高其可靠性和重复性，需要加强计量学支持，建立严格的质量控制框架。

八、MRI 计量学的挑战

1. 测量过程复杂：MRI 测量过程涉及多个复杂步骤，包括脉冲序列的应用、信号采集、图像处理等。每个步骤都有众多参数需要定义和设置，且部分参数受制造商软件的限制，用户难以完全掌握。这使得理解和评估 MRI 测量过程变得困难，增加了计量学研究的复杂性。
2. 测量类型多样：MRI 可进行多种不同类型的测量，每种测量都有其独特的测量流程和特点，且标准化程度较低。设计一个能够支持多种测量类型、适应不同测量选择的计量学框架具有很大挑战性，需要进一步的研究和发展。
3. 临床应用的成本效益考量：MRI 的主要目的是临床诊断，而计量学的实施需要投入时间、精力和资金。医生在决定是否采用定量 MRI 时，需要考虑成本效益比。只有当定量 MRI 的效益足够高时，才会有相应的预算用于 MRI 计量学研究和应用，这也限制了 MRI 计量学的发展。

九、现有的 MRI 计量学

1. 安全与 SAR 方面的贡献：计量学在 MRI 安全方面贡献显著，主要体现在确保扫描时患者接受的能量在安全范围内、检查植入医疗器械的兼容性以及监测患者和工作人员对静磁场和梯度场的暴露。针对这些方面，已有大量研究工作，如开发计算工具评估电场诱导、研究 SAR 水平的限制和计算方法等。
2. 标准现状：国际上与 MRI 相关的主要标准包括 IEC 60601 系列安全标准和 IEC 62464 - 1 图像质量标准，但这些标准目前尚未专门涵盖 qMRI 方法。此外，还有 ASTM 国际、ISO 等组织制定的相关标准，以及各专业机构发布的建议，共同构成了 MRI 计量学的标准体系，但 qMRI 在这些标准和建议中的代表性仍有待提高。
3. 体模的应用与发展：体模在评估 MRI 系统性能方面具有重要作用，可用于评估图像质量、测量空间特征等。传统体模如 ACR MRI 认证体模和 Magphan 体模存在一定局限性，而新型体模如模块化体模和虚拟体模逐渐发展起来，为 MRI 质量保证和定量成像评估提供了更灵活的解决方案。同时，数字参考对象和数值模拟也成为辅助评估的重要工具。
4. 关键定量 MRI 能力：一些国家计量研究院已开展相关工作，如 KRISS 开发了用于 qMRI 的参考材料和模块化体模，提供商业测量服务；NIST 提供 T₁、T₂和 ADC 的可追溯测量服务；NIST 和 NPL 建立了体模借阅库，促进体模的广泛应用；iMet - MRI 项目开发了可追溯的材料表征方法和相关软件，推动了欧洲 MRI 计量学的发展。

十、MRI 计量学的未来发展

1. 当前框架的挑战：目前 MRI 计量学面临容量不足的问题，全球仅 NIST 提供的单一初级标准限制了可追溯体模的生产和应用，导致体模成本高昂、等待时间长，且无法进行不同设施间的性能比较。此外，随着 qMRI 国际标准的发展和临床应用的推广，对可追溯测量的需求将大幅增加，现有框架难以满足这一需求。
2. 潜在的发展方向：为解决当前问题，可通过开发二级标准增加测量服务容量、降低成本；提高可追溯体模的可及性，如建立更多的体模借阅库、开发低成本体模等；研发更复杂、更接近人体组织特性的新型体模材料，以提高测量的准确性；加强对 AI 在 qMRI 中应用的不确定性研究，将计量学理解融入 AI 算法评估；完善 QA 程序，建立共识，明确不同应用场景下的 QA 要求；开展扫描仪评估和研究设计的新方法，如量化测量变异性、制定扫描仪性能分级和认证方案等。

十一、讨论与结论

MRI 计量学虽仍在发展中，但已在部分测量中建立了溯源性和不确定性量化原则，为设备兼容性和患者安全提供了保障。全球多个 NMIs 对发展 MRI 计量学表现出浓厚兴趣，未来需构建更成熟、稳健的计量学框架，以支持 qMRI 在临床实践、临床试验和 AI 成像等领域的广泛应用。同时，还需解决一些关键问题，如不同测量方法的等效性、复杂 MRI 系统的校准以及文化观念的转变等。通过各方共同努力，MRI 计量学有望取得更大进展，为生命科学和健康医学领域带来更多福祉。