综述：超高场系统的多中心质量保证（QA）

《Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine》：Multi-center QA of ultrahigh-field systems

本文聚焦超高场（UHF）磁共振成像（MRI），阐述多中心 QA 对其数据可靠性的关键意义及面临的挑战。

　　### 超高场磁共振成像（UHF MRI）的发展与多中心质量保证（QA）的重要性
过去二十年，超高场（UHF）磁共振成像（MRI）取得了显著进展。从最初仅在少数研究机构使用的实验设备，到如今已有超过 100 台 7 T 系统在全球投入使用，并且部分系统获得了 CE 和 FDA 的临床使用许可。自 2017 年首个 7 T 系统获批用于脑部和膝盖成像以来，其全球装机数量稳步增长，目前有两家商业供应商提供临床 7 T MR 系统 。

7 T MRI 在多种疾病诊断中展现出独特价值。例如，在多发性硬化（MS）与其他神经炎症性疾病的鉴别诊断中，它能更清晰地呈现病变特征；对于耐药性局灶性癫痫患者，有助于发现脑部结构病变；在肌肉骨骼疾病方面，可用于评估软骨修复组织 。随着精准医学的发展，定量成像生物标志物在疾病预后和治疗监测中的重要性日益凸显，而 UHF MRI 的定量成像数据需确保高度的准确性和可重复性 。

由于 UHF MRI 系统存在多种不同的磁体设计，许多站点也在不断升级系统架构，因此多中心研究和质量保证（QA）协议至关重要。通过多中心研究，可以统一不同系统和站点的数据采集与处理方法，评估测量的重复性和再现性；QA 协议则能监测系统性能，及时发现并解决问题，保障研究和临床应用的可靠性 。虽然供应商通常会提供 QA 监测服务，但 UHF MRI 有其独特技术特点，需要对传统的 3 T QA 流程进行优化和调整。此外，研究机构对系统性能的追求往往超出供应商的响应速度，不同供应商与研究机构的关注点也存在差异，这使得各 UHF MR 站点有必要开展额外的 QA 监测和跨站点比较 。

GUFI 网络的多中心研究

德国研究基金会（DFG）资助的 GUFI 联盟在 2013 - 2021 年间作为分布式国家网络开展研究，有 11 个德国 UHF 站点参与，这些站点使用的 MR 系统均来自西门子，但在基本成像组件（如磁体、梯度和 RF 线圈、软件版本）上存在不同配置 。该网络涵盖了三代 7 T 磁体，包括安捷伦科技生产的第一代和第二代被动及主动屏蔽磁体，以及西门子最新的 Terra 磁体，最早的系统已运行长达 15 年 。

为保证各系统性能最佳并便于比较关键参数，GUFI 建立了统一的 QA 协议，并开发了专用的 QA 幻影模型（phantom） 。这个幻影模型（phantom）有两个部分，头颈部模拟部分由填充特定凝胶的 PMMA 管构成，用于模拟脑组织；另一部分模拟人体肩部对 RF 头线圈的负载，由填充特定溶液的矩形容器模拟肌肉组织 。研究发现，使用相同类型 RF 线圈时，各站点在信噪比（SNR）和翻转角测量上一致性较高，但硬件故障（如线圈接触不良、梯度线圈损坏）以及不同磁体的BO?场漂移差异明显，第一代磁体BO?场漂移可达 90 Hz / 天以上，而最新的 Terra 磁体仅为 0.5 Hz / 天，且同一代 Terra 磁体间BO?场漂移也在 0.5 - 2.6 Hz / 天之间 。

GUFI 进行了两次重要的 “移动头部” 研究。首次研究选取两个男性受试者，在一年内使用 7 T 高分辨率结构成像的典型序列，对 8 个站点的第一代和第二代 UHF 系统进行扫描。由于受试者为 MR 科学家，可自行操作设备，减少了不同操作人员带来的误差。研究发现，不同 RF 线圈在B1+?映射调整扫描时差异较大，MR 供应商提供的发射机校准方法显示，24 通道接收头线圈的发射机参考电压比 32 通道接收头线圈高 14%，采用 3D DREAM 方法进行B1+?映射扫描时，差异更是达到 26% 。此外，在一个站点的涡轮自旋回波协议中发现功率校准错误，导致翻转角减小、特定吸收率（SAR）预测升高，经供应商重新校准后，发射机效率和线性范围与其他系统匹配 。对关键结构序列 T1 加权 MP2RAGE 图像进行体积分析，发现站点间差异仅 5%，而站点内重复性高达 0.6% 。在时间飞跃血管造影和磁敏感加权成像（SWI）中，动脉对比度和静脉偏差的测量也有较高一致性 。

大约 3 年后，第二次 “移动头部” 研究纳入了 10 个 7 T 站点，包括 Magnetom Terra 系统 。此次研究评估了定量磁敏感成像（QSM）、化学交换饱和转移（CEST）和多参数 T1/T2*/PD 映射等先进定量成像方法的可重复性。研究结果显示，这些定量方法的可重复性与之前研究相似，MP2RAGE T1 映射的可重复性最高 。QSM 在齿状核的测量结果重复性最佳，变异系数（COV）在 2 - 4% 之间，但在气腔和血管附近变异较大，最大 COV 可达 13% 。研究还发现不同站点发射机性能存在显著差异，CEST 数据的 rNOE 映射显示，Terra 站点与旧磁体站点相比，灰质和白质的 rNOE 对比度高出近 10% 。深入研究发现，CEST 序列的长预饱和阶段会使 RF 功率放大器（RFPA）产生高热应力，导致不同站点有效预饱和 RF 幅度改变 。通过使用 GUFI QA 幻影模型（phantom）进行额外扫描，得到校正因子应用于 rNOE 映射，校正后不同扫描仪代际间灰质和白质组织的偏差降至 1.4% 。然而，在酰胺峰和磁化传递（MT）对比度测量中，Terra 站点与其他系统仍存在差异，原因尚待进一步研究 。多参数映射的 PD 图在站点间的可重复性与 MP2RAGE T1 图相近，而 T1 和 T2 * 弛豫测量的变异分别高达 9% 和 12%，当时由于软件差异，该技术在 Terra 站点无法实施 。几年后，在另一项涉及 5 个 Terra 站点的 “移动头部” 研究中测试了多参数映射的重复性，结果总体良好，但在颞叶 MT 测量中 COV 约 50%，重复性较低 。

UK7T 网络的多中心研究

英国于 2016 - 2019 年在医学研究委员会资助下建立了 UK7T 网络，5 个站点参与，使用来自两个不同供应商的三种 7 T 扫描仪型号 。该网络旨在建立一套统一的神经成像结构和功能序列及协议，并为大规模多站点研究提供平台 。与 GUFI 类似，UK7T 的研究重点也很快从分布式幻影模型（phantom）和 QA 测量转向 “移动头部” 研究 。

在一项研究中，同一受试者在所有 5 个站点及 1 个参考站点进行 4 次测量，以测试不同供应商序列的交叉一致性 。结果表明，B1+?校准至关重要，制造商的自动校准与手动校准相比，不同型号间差异更大且校准值低估明显 。研究还发现不同供应商在梯度非线性校正方面存在差异，导致基于 MP2RAGE 数据的皮质厚度定量评估中，站点间方差比站点内大 40 倍，但该差异可事后校正 。

后续对 5 个站点的 10 名健康志愿者进行 QSM 和T2?成像研究，每个受试者在本地站点扫描 5 次，在其他站点扫描 1 次 。研究观察到不同扫描仪间存在几何失真，建议使用非线性配准方法替代刚体配准，以降低皮质 QSM 的扫描仪间变异性 。对比 UK7T 和 GUFI 两次 “移动头部” 研究中单次回波 QSM 数据的重复性 COV 值，发现基底神经节结构（如黑质、红核、尾状核、壳核、苍白球）的测量结果一致性很高 。

超高场（UHF）的特殊硬件 QA

RF 功率放大器（RFPA）的性能对 UHF MRI 成像质量影响重大 。在使用单通道发射头线圈的 “移动头部” 研究中，已发现发射机链存在漂移现象 。在 UHF 的并行发射（pTx）扫描中，多个 RFPA 输出驱动具有 8 或 16 个发射通道的 pTx RF 阵列线圈，RFPA 漂移问题更为突出 。研究人员对 5 个包含 7 T - 11.7 T MR 系统的站点进行 RFPA 漂移评估，发现不同设计的 RFPA 单元在同一站点的幅度漂移差异可达 3 倍，不同站点的平均漂移值也各不相同，7 T Plus 为 7.9%，7 T Terra 为 10.9%，9.4 T 高达 25.6%，11.7 T 为 15.7% 。若不考虑 RFPA 漂移，可能导致对 SAR 的高估或低估，进而中断扫描，影响临床扫描协议的可靠性，还会影响B1+?映射技术以及依赖B1+?图校正剩余翻转角不均匀性的定量技术（如 TI 弛豫测量） 。不过，通过预测和运行时漂移校正，可有效减轻这些影响 。

梯度场与三阶匀场线圈的耦合也会影响 UHF MRI 成像 。研究人员对 7 - 11.7 T 的 MR 系统进行研究，分析了同一全身梯度线圈与三阶匀场线圈连接与否时的情况 。结果发现，连接三阶匀场线圈时，7 T 系统在 1350 Hz 处出现比更高磁场系统（三阶匀场线圈在滤波器板处断开连接）更高的峰值 。虽然由于缺乏 MR 供应商的专有信息，无法完全解释振动如何耦合到匀场线圈以及对梯度场的确切影响机制，但该研究明确了这种耦合对回波平面成像和使用梯度扰相的结构成像（如 MPRAGE）的站点间变异性有影响 。

目前，获得 FDA 批准的 UHF MRI 扫描仪仅有西门子的 Magnetom Terra 和 GE 的 Signa 7.0 T，两者标准线圈配置不同 。UHF 成像面临的一个挑战是商业生产的 UHF 线圈（尤其是全身线圈）供应有限，研究人员和临床医生常需依赖定制的局部发射 / 接收线圈来扩大视野（FOV） 。由于缺乏标准化的全身 UHF 线圈，对商业可用解决方案的需求日益增长 。

对 UHF 线圈进行专门的 QA 对于维持多中心成像性能至关重要 。虽然已有不同 UHF 线圈的比较研究，但针对某一类型 UHF 线圈的多中心 QA 研究尚未发表 。随着多通道发射线圈的应用，长期监测 RF 线圈性能的需求也在增加 。RF 线圈通常由线圈供应商或部分 UHF 站点小批量生产，多为手工制作的原型，而非成熟的系列产品 。此外，RF 线圈 QA 对于保障 UHF 成像安全也很关键 。国际医学磁共振学会（ISMRM）的一个工作组发布了实验 RF 硬件安全测试的最佳实践 。通过预定义测试可验证 RF 线圈的发射和接收功能，在每次体内扫描前，对比侦察图像或快速B1+?图与参考图像或图，有助于检测 Tx 元件故障 。定期的 RF 线圈 QA 测试还应包括测量散射参数、验证功率线性度，以检测线圈退化或故障，同时监测每个通道的噪声和 SNR，确保发射和接收线圈路径的长期稳定性 。为加快定制线圈系统从原型到临床应用的转化，已建立了受限 SAR 协议 。使用定制硬件的用户需要了解所有 RF 组件的可靠性和故障容限，以评估其对测量结果的影响 。在 QA 比较中，SNR 是关键因素，但它受多种系统变量影响，如共振频率、翻转角精度、发射机增益、线圈负载和扫描参数等，扫描加速（如并行成像）、图像重建和后处理等因素也会对其产生作用 。因此，B1+?场均匀性和效率常被视为比较不同发射线圈性能更可靠的参数，但在 UHF 下精确的B1+?映射仍是挑战，目前尚无标准方法 。在多中心 UHF 研究中，发射和接收线圈的 RF 不均匀性一直是个重要问题，不同天线类型用于 pTx 应用，但对不同天线和线圈几何形状（包括市售产品）缺乏全面的多站点比较 。未来 UHF 线圈 QA 将更多关注 pTx 技术，需密切关注系统图像质量，及时检测可能出现的错误，确保长期稳定性 。

QA 用幻影模型（phantom）

选择合适的幻影模型（phantom）对于获得可靠的 QA 测量结果至关重要，但随着磁场强度增加，这一任务变得更具挑战性 。在 1.5 T 和 3 T 系统中，已有大型网络在文献中描述了标准化幻影模型（phantom） 。例如，2006 年 Friedman 和 Glover 介绍了使用功能性生物信息学研究网络（fBIRN）幻影模型（phantom）进行定期 QA 测试的经验，该幻影模型（phantom）由填充在球形塑料容器中的掺杂琼脂凝胶构成，用于模拟 3 T 时脑组织的 T1 和电导率，满足功能 MRI（fMRI）稳定性测试需求 。凝胶因具有避免移动后长时间沉降、减少振动影响的优点，常用于稳定性测试和植入物及 RF 线圈的安全测试 。fBIRN 幻影模型（phantom）和协议在 3 T 和 7 T 系统中都得到广泛应用，其稳定性测量也是 GUFI 在 7 T 进行 QA 测量的一部分 。

阿尔茨海默病神经影像学倡议（ADNI）幻影模型（phantom）自 2004 年起用于多站点研究，收集 1.5 - 3 T 系统的数据 。它由水填充的透明聚氨酯外壳内的球形内含物组成，内含物为硫酸铜填充的聚碳酸酯，用于评估几何测量、梯度非线性，以及不同 T1 弛豫时间小壳的 SNR 和 CNR 测量 。2012 年，美国国家标准与技术研究院（NIST）与 ISMRM 定量 MRI 标准特设委员会合作开发了 NIST/ISMRM 系统幻影模型（phantom），该模型基于 ADNI 幻影模型（phantom）和美国放射学会（ACR）提出的幻影模型（phantom）经验，包含多层已知 T1、T2 和 PD 值的球体阵列，已商业化，可提供给所有 MR 用户 。目前，NIST 仅提供 1.5 T 和 3 T 的参考弛豫时间，虽有两项研究测量了 7 T 时 NIST/ISMRM 系统幻影模型（phantom）中 14 个 T1 球体的 T1 值，但都需对幻影模型（phantom）外壳进行修改才能适配 7 T RF 线圈，且该模型在B1+?不均匀性方面存在较大限制，球体测量时B1+?最高与最低值跨度可达 30%（无外壳在空气中测量）至 40%（修改外壳后） 。

在 UHF 下，一方面需要大的充液容器进行磁化率匹配，因为随着静磁场增加，磁化率伪影更加明显；另一方面，1.5 T 和 3 T 常用的水由于相对介电常数约为 80，与周围空气相比差异大，会导致B1+?干扰模式和明显的 FA 变化 。因此，常使用植物油或矿物油替代水，因其能产生更均匀的B1+?分布，但油与水的共振频率偏移可能引入化学位移伪影，影响定量 QA 测量 。除介电常数影响外，UHF 下幻影模型（phantom）填充还需考虑电导率 。由于 UHF RF 线圈的负载依赖性增加，特别是多通道 pTx 线圈，需考虑负载相关的元件间耦合，低导电油可能导致结果不准确 。通常在水基幻影模型（phantom）填充中添加盐来控制电导率，模拟 RF 线圈的实际负载条件 。对于某些应用，能使 RF 线圈良好加载且导致B1+?不均匀的幻影模型（phantom）有助于评估 pTx 技术的可重复性 。例如，Gras 等人提出基于通用脉冲（UP）的免校准 pTx 概念，并在 7 T 脑成像中验证了其对头部大小、解剖结构和位置变化的适应性 。SCAIFIELD 联盟使用基于 UP 的 7 T pTx 协议研究脊髓小脑共济失调患者小脑和脑干的结构变化，并将使用 GUFI 幻影模型（phantom）的衍生版本和 QA 协议来量化幻影模型（phantom）特定 UP 激发的可重复性 。

为确保幻影模型（phantom）更高的可重复性和便于更换，一些研究采用尼龙打印外壳替代之前 GUFI 版本的胶合亚克力玻璃隔层 。幻影模型（phantom）通常由具有不同介电特性的三个隔层组成，分别模拟脑、肌肉和脂质 。研究人员还探索了多种幻影模型（phantom）填充介质，如油、糖、酒精、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）等 。由糖、盐和去离子水制成的组织模拟液因成分易获取、制备简单，可用于线圈验证，但因其低 SNR 和糖易沉淀的问题，在成像应用上存在局限 。异丙醇会使亚克力玻璃和其他塑料材料产生微裂纹，影响幻影模型（phantom）外壳 。PVP 基幻影模型（phantom）制备简单、无毒、SNR 高于蔗糖基幻影模型（phantom），能模拟多种应用所需的介电特性和弛豫时间，但高浓度 PVP 可能导致幻影模型（phantom）在使用 1 年后出现电气性能变化 。根据具体应用，幻影模型（phantom）还可添加代谢物用于 MR 波谱分析，或添加不同铁浓度的小瓶用于 QSM 评估 。此外，在幻影模型（phantom）设计中加入解剖细节（如模拟球形气腔）对 RF 线圈验证很重要 。

结论

本文重点阐述了多中心 QA 在 UHF - MRI 系统中的关键作用 。随着 7 T 系统装机数量不断增加，多中心 QA 对于确保数据采集的一致性和可靠性愈发重要 。GUFI 和<