关于场循环成像（FCI）MRI在0.2特斯拉以下识别轻微缺血性卒中的初步概念验证研究报告
一、 研究作者、机构与发表信息
本研究由Vasiliki Mallikourti博士、P. James Ross博士、Oliver Maier博士、German Guzman-Gutierrez医学博士、Edit Franko医学士、David J. Lurie博士、Lionel M. Broche博士（共同资深作者）以及Mary Joan Macleod医学士/博士（共同资深作者）共同完成。主要研究机构为英国阿伯丁大学阿伯丁生物医学影像中心（Aberdeen Biomedical Imaging Centre）和医学科学研究所（Institute of Medical Sciences），合作单位包括奥地利格拉茨技术大学医学工程研究所以及阿伯丁皇家医院急性卒中单元。
该研究成果以《Field-cycling MRI for Identifying Minor Ischemic Stroke Below 0.2 T》为题，于2024年8月发表在Radiology期刊第312卷第2期上。文章已获得CC BY 4.0许可。
二、 研究学术背景与目的
本研究隶属于神经放射学与医学影像技术领域，核心是探索一种新型磁共振成像技术在急性脑血管疾病诊断中的应用。
研究背景： 卒中救治高度依赖快速、准确的影像学评估，以指导患者分流至具备血管内治疗能力的中心。同时，卒中后的随访也增加了影像检查需求。传统的计算机断层扫描（CT）存在辐射剂量问题，而高场强磁共振成像（MRI）则存在设备笨重、成本高昂、有磁场安全限制等问题。这使得便携式、低固定场强（通常在60-200毫特斯拉，mT）的MRI设备受到关注。然而，在极低场强下，如何获得有诊断价值的组织对比度是一个挑战。T1弛豫时间是MRI中重要的对比度来源，其随磁场强度的变化（即T1核磁弛豫弥散，Nuclear Magnetic Relaxation Dispersion, NMRD）能反映组织内水分子动力学的微观变化，这与扩散加权成像（Diffusion-weighted MRI）所反映的信息具有互补性。此前，T1 NMRD谱已在体外（如软骨、血液、肉瘤）和动物模型（如乳腺、脑部恶性肿瘤）中显示出揭示细胞分子动力学的潜力。
在此背景下，英国阿伯丁大学开发了一种全新的全身场循环成像（Field-cycling imaging, FCI） MRI技术。FCI融合了传统MRI和快速场循环核磁共振技术，能够在一次扫描过程中，于脉冲序列期间在多个磁场强度（本研究范围为0.2 mT至0.2 T）间快速切换，从而测量组织T1弛豫时间在一个很宽磁场范围内的变化，绘制出T1 NMRD谱。
研究目的： 本研究是一项初步概念验证（proof-of-concept）研究。其主要目标是测试一台原型全身FCI扫描仪是否能够用于识别亚急性缺血性卒中患者的梗死区域。研究假设是，在0.2 mT至200 mT的磁场强度范围内，FCI能够通过内源性T1弛豫机制的差异，区分亚急性缺血性脑组织和正常脑组织。
三、 详细研究流程与方法
本研究是一项前瞻性观察性研究，获得了伦理委员会批准，所有参与者均签署了知情同意书。
1. 研究对象筛选与纳入： 研究在2018年2月至2020年3月以及2021年4月至12月期间，对一个大学教学医院急性卒中单元收治的连续成年患者进行筛查。纳入标准包括：经CT或MRI证实的缺血性卒中；能够在发病后7天内接受FCI扫描；能够承受体重且体重指数（BMI）低于28（以适应原型扫描仪的限制）。排除标准包括：既往有卒中史；无法给予知情同意。最初共筛查了685名患者，经过排除（319人无法承受体重，168人无法或不愿同意，172人BMI过高），26人入选研究。其中，12人因技术问题（5人）或幽闭恐惧症（7人）未能完成FCI检查。最终，14人完成了扫描并用于评估观察者间一致性，其中5人因单层扫描层面错过了小梗死区域而被排除在FCI数据分析之外。因此，最终用于T1弥散分析的数据来自9名参与者（平均年龄62±16岁，均为男性）。这些参与者在卒中发生后的1至6天内接受了FCI扫描。
2. 影像学采集协议： * FCI扫描： 使用阿伯丁大学自行建造的原型全身FCI扫描仪进行扫描，配备一个双通道、八腿正交鸟笼式射频头线圈。扫描采用场循环反转恢复自旋回波序列。研究过程中，为优化流程，对采集协议进行了三次修改，主要调整了演化磁场（Evolution Field）强度和演化时间（Evolution Time）。典型的扫描参数包括：4至6个演化磁场（从0.2 mT到0.2 T，通常按对数间隔分布）；5个演化时间（范围从5毫秒到546毫秒）；采集频率为8.2 MHz（对应质子193 mT）；平面内分辨率2-4毫米；层厚10毫米；单层采集；无信号平均。每次扫描程序（包括校准、导航图像和FCI扫描采集）耗时约45分钟。 * 基线影像： 使用GE Optima 660 CT扫描仪和Philips dStream 3.0-T MRI扫描仪获取基线诊断图像。MRI标准协议包括T1加权、T2加权、液体衰减反转恢复（FLAIR）、扩散加权成像（DWI）和梯度回波T2*序列。由一位具有25年经验的临床医师（M.J.M.）在基线影像上勾画出梗死区域，并将FCI扫描层面与确定的梗死区域进行配准。
3. 数据处理与分析流程： * 图像预处理与T1图生成： 原始FCI图像首先使用内部开发的软件进行预处理，以校正相位编码和重影伪影。随后，利用基于Python 3开发的联合全广义变分（joint Total Generalized Variation）算法，从FCI数据中生成各磁场强度下的T1图。 * 感兴趣区（ROI）分析： 在低于20 mT的T1图上，手动在梗死区域和对侧未受累半球镜像区域勾画ROI。使用内部编写的MATLAB软件从每个参与者的ROI中提取T1 NMRD谱数据，并使用幂律模型进行拟合：T1 = α * (B0)^(-β)。其中，α为缩放因子（代表1 mT时的T1值），β为弥散斜率（在双对数坐标中为曲线的斜率）。同时，还进行了逐个体素的T1弥散斜率图计算。 * 对比度与信噪比计算： 计算了梗死区与对侧正常脑组织的T1对比度比率（百分比差异）。并在每个磁场的最长演化时间图像上测量了信噪比（SNR）和对比噪声比（CNR）。 * 图像判读： 两位独立的、经过培训的影像判读员（分别具有10年和4年经验），在 blinded to 临床信息的情况下，对经过BM3D算法去噪的FCI图像进行判读，记录病灶是否存在及其部位。 * 统计分析： 使用Wilcoxon符号秩检验比较梗死区与对侧组织的T1弥散斜率和缩放因子α。使用Spearman等级相关分析梗死-对侧组织对比度比率与磁场强度之间的关联。观察者间一致性使用Cohen’s Kappa系数评估。由于是探索性研究，未进行正式的效力计算。
四、 主要研究结果
1. FCI图像与T1图质量： 在0.2 T场强下，典型FCI图像的SNR为12±4，CNR为3.2±1.4；在≤1.3 mT的超低场下，SNR为2.3±1.0，CNR为1.5±1.1。组织对比度在较长的演化时间下更高。在所有参与者中，尽管在200 mT时梗死区域可见度较低，但在37 mT及以下场强获得的图像上，均显示出了与基线影像确定的梗死区域对应的高T1信号区。其中两名参与者因信噪比较低，病灶显影不明显。
2. T1对比度与磁场强度的关系： 在生成的T1图上，梗死区与对侧组织的对比度比率在0.2 T时最低，并随着磁场强度的降低而显著增加（r[24] = -0.68; p < 0.001）。这表明，在超低场强下，梗死组织和正常脑组织之间的T1差异更为明显。例如，在一名79岁的右枕叶梗死患者（6号参与者）中，在21.1 mT和2.2 mT场强下，梗死区域在T1图上清晰可见，其对比度比率（分别为46.6%和46.2%）远高于200 mT时的12.3%。
3. T1弛豫时间与弥散谱特征： 在0.2至1.3 mT的超低场强范围以及0.2 T场强下，梗死区域的T1弛豫时间常数均显著高于对侧未受累脑组织（平均值范围：118-565毫秒 vs. 58-444毫秒；p = 0.02–0.04）。随着场强降低，这种差异逐渐增大（在200 mT时为27%，21.1 mT时为58%，0.2 mT时达到182%）。幂律模型能很好地拟合梗死和正常组织的T1 NMRD谱。关键发现是，梗死组织的T1弥散斜率（β值）显著低于对侧正常组织（中位数：0.23 [四分位距IQR: 0.18-0.37] vs. 0.35 [IQR: 0.27-0.43]；p = 0.03）。而缩放因子α在两组间无显著差异。这意味着，尽管两组组织在特定场强的绝对T1值上不同（由α部分反映），但梗死更本质地改变了T1随磁场变化的模式（即斜率β），这可能反映了梗死导致的组织内水分子动力学状态的改变。
4. 观察者间一致性： 两位独立判读员对于病灶部位的判断一致性为86%（14次扫描中的12次），Cohen’s Kappa系数为0.69，表明具有实质性的一致性。
五、 研究结论与意义
本研究首次在人体上证实，全身场循环成像（FCI）技术能够在低至0.2 mT的场强下，通过检测内源性T1弛豫机制的改变，识别出亚急性缺血性卒中。研究结果表明，在低于20 mT的场强下，梗死区与正常脑组织的最佳对比度得以实现。
科学价值与应用前景： 1. 技术验证： 成功将FCI这项新型成像技术应用于卒中患者，证明了其在超低场条件下生成具有诊断价值影像的可行性。 2. 机制探索： 研究发现梗死不仅改变了组织的T1值，更改变了T1随磁场变化的弥散斜率。这为理解卒中后脑组织微观环境（如水分子结合状态、细胞完整性）的变化提供了新的、互补于传统MRI对比度的生物物理信息。 3. 应用潜力： 卒中影像学获取的不平等问题突出，特别是在农村或资源匮乏地区。FCI技术启示了设计专用超低场强（<0.2 T）MRI设备的可能性。通过识别能优化脑组织T1对比度的最佳场强（例如0.2 mT至2 mT之间）和演化时间，未来可以开发出在单一优化场强下工作的、快速（可能仅需2-3分钟）且安全的扫描设备。这种设备有可能部署在救护车或基层医疗中心，用于卒中的快速初筛或随访，从而指导患者分流和治疗决策。 4. 扩展方向： T1 NMRD谱和弥散斜率图提供的组织水动力学特征化方法，有望应用于癌症、骨病、肺病等多种疾病的诊断和研究。研究团队在完成本研究后，已开发了改进的FCI原型机，并计划在脑出血患者和健康对照中进一步验证结果。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的内容
研究也坦诚地指出了若干局限性：1）作为在原型机上的概念验证研究，样本量较小（n=9），且部分参与者梗死灶较小；2）由于FCI分辨率较低，所选取的对侧正常组织ROI可能同时包含灰质和白质，增加了T1值的变异；3）观察到参与者间T1百分比差异存在较大变异性，这可能与技术因素（原型机信噪比不稳定、扫描协议更改）和参与者因素（梗死体积、距发病时间不同导致的组织水肿和细胞坏死程度差异）有关。这些局限性为后续研究指明了改进方向，例如使用更稳定的扫描设备、纳入更同质的患者群体、结合高场MRI进行更精确的参考区匹配等。
这项研究为极低场磁共振成像领域注入了新的活力，展示了FCI技术在揭示组织微观物理特性方面的独特能力，并为开发下一代适用于床边和资源有限环境的卒中诊断工具奠定了重要的科学基础。