0 引言

       脑部疾病对人类健康构成重大威胁，常导致严重的神经功能缺损、认知功能障碍，甚至危及患者生命。早期准确诊断对于有效干预和改善患者预后至关重要^{[1, 2, 3]}。

       磁共振成像的高空间分辨率能够清晰显示大脑皮层、皮质下结构、脑白质、脑室及血管系统，为脑部疾病的诊断奠定了坚实的解剖学基础^[4]。同时，磁共振成像可以生成多种对比度图像，包括T1加权成像（T1 weighted imaging, T1WI）、T2加权成像（T2 weighted imaging, T2WI）、液体衰减反转恢复序列（fluid attenuated inversion recovery, Flair）及扩散加权成像（diffusion weighted imaging, DWI）等，从多维视角展现大脑组织的病理学改变，从而提高诊断的准确性和可靠性^{[4, 5, 6]}。随着这一技术的广泛应用，医疗服务与科研水平显著提升，磁共振成像已成为头颅影像检查中不可替代的重要手段^{[7, 8]}。然而，传统磁共振成像设备因液氦的高度依赖面临诸多挑战，例如高成本、液氦消耗巨大以及对安装场地的严格要求。为应对这些问题，新一代无液氦磁共振成像技术的研发成为医学影像领域的前沿热点，受到广泛关注^{[9, 10, 11]}。无液氦磁共振成像系统通过传导冷却超导磁体实现零液氦运行，其关键的磁场特性——高均匀性与超高稳定性——为获得高质量的磁共振成像图像提供了物理基础。这些特性直接关系到图像的空间分辨率和信噪比（signal-to-noise ratio, SNR），并最终保障了诸如T1WI/T2WI的灰白质边界清晰度及Flair序列的脑脊液抑制均匀性等关键图像质量指标。

       图像质量构成了磁共振成像技术临床价值的核心，其优劣直接决定影像学特征的视觉辨识度与诊断信息的准确性，进而影响临床决策的效力^[12]。因此，建立系统化、标准化的图像质量评价体系是确保磁共振成像技术临床应用科学性与有效性的基石。鉴于无液氦技术作为解决传统挑战的新方案，其临床应用的可行性最终需通过其图像质量表现来验证。然而，目前尚未有研究系统评估无液氦磁共振颅脑成像的图像质量。因此，本研究旨在评估1.5 T无液氦磁共振与传统液氦磁共振在颅脑成像方面的图像质量差异，从而为其临床应用的可行性提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究对象

       本研究遵守《赫尔辛基宣言》，经首都医科大学附属北京积水潭医院伦理审查委员会批准，免除受试者知情同意，批准文号：积伦[K2025]第[010]号-00。回顾性分析2023年9月至2023年12月在北京积水潭医院接受颅脑磁共振成像检查的患者资料共1028例，通过分层随机抽样方法筛选出100例作为研究对象，其中50例接受1.5 T无液氦磁共振成像扫描，另50例接受1.5 T传统磁共振成像扫描。两组患者均仅接受单一设备的磁共振成像检查。受试者年龄范围为20~70岁，按10岁为一个年龄段（20~29、30~39岁等）进行分层，每个年龄段的男、女患者各随机抽取5例，以保证年龄和性别的均衡分布。当符合标准的样本量达到100例时停止筛选。纳入标准：（1）因临床可疑神经系统症状（如头痛、头晕等）接受颅脑磁共振成像检查者；（2）影像学报告未提示明确结构性病变；（3）临床资料完整，包括年龄、性别等基本信息。排除标准：（1）图像存在影响质量评估的伪影；（2）关键解剖结构显示不全或扫描序列缺失者。本研究采用两台1.5 T磁共振成像设备在常规临床扫描条件下获得的图像作为评价对象，以确保研究数据真实反映实际诊疗情况。

1.2 磁共振成像检查方法

       无液氦磁共振成像扫描仪（i_Vision 1.5T Plus，万东，中国）采用单梯度系统，最大梯度强度33 mT/m，最大切换率120 mT/m/ms，联合15通道头线圈进行颅脑磁共振成像检查，成像序列及参数如下：

       T1 Flair 序列：TR 6.8 ms，TE 2.9 ms，层厚6 mm，层间距0 mm，翻转角8°，FOV 240 mm×80 mm，共19层覆盖全脑，扫描时间1 min 52 s；T2WI：TR 5000 ms，TE 118.6 ms，层厚6 mm，层间距0 mm，翻转角90°，FOV 240 mm×80 mm，共19层，扫描时间1 min 19 s；DWI：TR 2444 ms，TE 90.3 ms，层厚5 mm，层间距0.5 mm，翻转角90°，b=0、1000 s/mm²，FOV=240 mm×100 mm，共19层，扫描时间1 min 16 s。

       传统磁共振成像扫描仪（UMR588 1.5T，联影，中国）采用单梯度系统，最大梯度强度33 mT/m，最大切换率125 mT/m/ms，联合32通道头线圈进行颅脑磁共振成像检查，成像序列及参数如下：

       T1 Flair序列：TR 20 ms，TE 12.04 ms，层厚6 mm，层间距20 mm，翻转角90°，FOV 230 mm×200 mm，共19层覆盖全脑，扫描时间1 min 41 s；T2WI：TR 4115 ms，TE 104.94 ms，层厚6 mm，层间距20 mm，翻转角90°，FOV 230 mm×200 mm，共19层，扫描时间49 s；DWI: TR 3503 ms，TE 86.8 ms，层厚6 mm，层间距20 mm，翻转角90°，b=0、1000 s/mm²，FOV 230 mm×230 mm，共19层，扫描时间1 min 1 s。

1.3 MR图像分析

1.3.1 主观评价

       两名具有3年以上影像诊断经验的副主任医生使用盲法主观评估无液氦磁共振成像与传统磁共振成像获得的颅脑T2WI图像。图像质量评估指标包括脑实质（覆盖脑灰质与白质）和脑脊液（具体标准见表1），评分≥3分的图像被认为合格^[12]。

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表1  主观评价指标
Tab. 1  Subjective evaluation criteria

1.3.2 客观评价

       本研究由另外两名经过单独训练的具有3年以上影像诊断经验的主治医生分别对无液氦磁共振成像和传统磁共振成像采集的颅脑T1 Flair及DWI图像进行客观评价。具体评价如下：

       （1）T1 Flair序列评价：基于1.5 T磁共振成像的空间分辨率特性（典型体素尺寸2 mm×2 mm×5 mm），选择15 mm²（直径约4.4 mm）的圆形感兴趣区（region of interest, ROI），确保每个ROI至少包含9个有效体素，以减小部分容积效应的影响。ROI分别置于：脑实质（顶叶、额叶、颞叶、枕叶的灰质和白质）与同层面空气区域（背景，用于噪声测量）。图1为在T1 Flair图像上手动勾画的ROI图。

       （2）DWI序列评价：在轴位图像上手动勾画面积为15 mm²的圆形ROI，置于：顶叶、额叶、颞叶和枕叶的白质区域；额外测量中脑和小脑双侧信号强度和同层面空气区域信号强度标准差（SD背景）。所有ROI均避开可见的血管影和异常信号区，并在相邻三个层面重复测量取均值。测量前通过联合阅片确定标准定位方法，组内相关系数（intra-class correlation coefficient, ICC）>0.85视为操作一致性好。图2为在DWI生成的ADC图上手动勾画的ROI图。

       （3）定量计算：成像序列SNR=SI目标区域/SD背景；对比噪声比（contrast-to-noise ratio, CNR）=（SI灰质-SI白质）/SD背景；ADC值测量：按标准方法计算ADC。

       （4）质量控制：所有测量重复3次，每次间隔1周，最后取3次的均值，两名医师独立操作以保证可重复性。

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图1  T1 Flair 序列轴位图像。1A~1D分别为顶叶、额叶、颞叶和枕叶灰质（ROI 为绿色圆形，面积约15 mm²）、白质（ROI 为红色圆形，面积约15 mm²）；1E~1F 为中脑和小脑（ROI 为红色圆形，面积约15 mm²）。ROI：感兴趣区。
Fig. 1  Axial images of the T1 Flair sequence. 1A to 1D represent the gray matter (ROI marked by green circles, approximately 15 mm²) and white matter (ROI marked by red circles, approximately 15 mm²) in the parietal lobe, frontal lobe, temporal lobe, and occipital lobe, respectively. 1E to 1F depict the midbrain and cerebellum (ROI marked by red circles, approximately 15 mm²). ROI: region of interest.

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图2  表观扩散系数值测量的ROI勾画图。2A~2D分别表示顶叶、额叶、颞叶和枕叶ROI（红色圆形，面积约15 mm²）。ROI：感兴趣区。
Fig. 2  The ROI delineation for the measurement of apparent diffusion coefficient values. 2A to 2D represent the ROIs (red circles, approximately 15 mm²) in the parietal lobe, frontal lobe, temporal lobe, and occipital lobe, respectively. ROI: region of interest.

1.4 统计学分析

       本研究采用IBM SPSS 26.0软件进行统计分析。计量资料经Shapiro-Wilk检验进行正态性检验，正态分布数据以均值±标准差表示，非正态分布数据以中位数（上下四分位数）表示。等级资料采用频数（百分比）表示。非正态分布的客观图像参数比较采用Mann-Whitney U检验分析两组设备间T1 Flair序列图像的SNR、CNR以及DWI序列图像ADC值的差异。所有统计检验均为双侧检验，P<0.05认为差异具有统计学意义。

       主观图像评分的一致性分析采用Weighted Kappa系数评估：观察者内和观察者间一致性根据Landis和Koch标准进行判定，其中，0.80≤Kappa<1表示几乎完全一致；0.60≤Kappa<0.80表示高度的一致性；0.40≤Kappa<0.60表示为中等的一致性；0.20≤Kappa<0.40表示一般的一致性；0≤Kappa<0.20表示极低的一致性。

2 结果

2.1 一般资料

       本研究共纳入100例接受颅脑磁共振成像检查的受试者，其中，1.5 T无液氦磁共振成像组50例，年龄为（43.86±13.95）岁；1.5 T传统磁共振成像组50例，年龄为（43.68±13.60）岁，两组间年龄差异无统计学意义（t=0.065，P=0.948）。

2.2 1.5 T无液氦磁共振成像与1.5 T传统磁共振成像图像主观评分比较

       T2WI图像主观评分结果如表2, 表3, 表4, 表5所示，无液氦磁共振成像与传统磁共振成像的常规序列在脑实质和脑脊液的主观评分均达到合格标准（评分范围：3~5分），典型图像见图3。观察者间评估方面，无液氦磁共振成像组的脑脊液评分为4.94分，脑实质评分为3.85分；传统磁共振成像组的脑脊液评分为4.74分，脑实质评分为4.26分，两组间差异具有统计学意义（P<0.05）。观察者间一致性分析显示，两组Kappa值均大于0.7，具有高度的一致性。其中，无液氦磁共振成像组和传统磁共振成像组对脑脊液的一致性评估都较优（Kappa 值均为0.79），而脑实质评估的无液氦磁共振成像组一致性更优（Kappa值：0.77 vs. 0.73）（表2, 表3）。

       观察者内评估方面，无液氦磁共振成像组的脑脊液评分为4.92分，脑实质评分为3.89分；传统磁共振成像组的脑脊液评分为4.75分，脑实质评分为4.27分，组间差异具有统计学意义（P<0.05）。观察者内一致性分析显示，两组Kappa值均大于0.7，均具有高度的一致性。其中，脑脊液评估的传统磁共振成像组一致性更优（Kappa值：0.74 vs. 0.73），而脑实质评估的无液氦磁共振成像组一致性更优（Kappa值：0.77 vs. 0.76）（表4, 表5）。

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图3  不同主观评分的T2WI轴位图像对比。3A为21岁男性受试者的无液氦磁共振成像图像（评分5分）；3B为23男性岁受试者的传统磁共振成像图像（评分5分）；3C为56岁男性受试者的无液氦磁共振成像图像（评分3分）；3D为36岁男性受试者的传统磁共振成像图像（评分3分）。
Fig. 3  Comparison of T2WI axial images with different subjective quality scores. 3A shows a 21-year-old male subject's liquid helium-free magnetic resonance imaging image (score 5); 3B displays a 23-year-old male subject's conventional magnetic resonance imaging image (score 5); 3C exhibits a 56-year-old male subject's liquid helium-free magnetic resonance imaging image (score 3); 3D demonstrates a 36-year-old male subject's liquid helium-free magnetic resonance imaging image (score 3).

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表2  脑脊液的观察者间一致性评估
Tab. 2  Inter-observer consistency assessment of cerebrospinal fluid

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表3  脑实质的观察者间一致性评估
Tab. 3  Inter-observer consistency assessment of brain parenchyma

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表4  脑脊液的观察者内一致性评估
Tab. 4  Observer-intra-rater consistency evaluation of cerebrospinal fluid

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表5  脑实质的观察者内一致性评估
Tab. 5  Observer-intra-rater consistency evaluation of brain parenchyma

2.3 1.5 T无液氦磁共振成像与1.5 T传统磁共振成像图像客观评分比较

       本研究结果显示，1.5 T无液氦磁共振成像系统在所有脑区的SNR均高于传统1.5 T磁共振成像（表6）。进一步对T1 Flair序列图像的SNR分析表明，除颞叶和中脑区域差异不具有统计学意义外，1.5 T无液氦磁共振成像在顶叶、额叶、枕叶及小脑等脑区的SNR表现与传统1.5 T磁共振成像相比差异均具有统计学意义（P<0.05）。

       T1 Flair序列的CNR分析表明（表7），相较于传统1.5 T磁共振成像，1.5 T无液氦磁共振成像在额叶的CNR提升，差异具有统计学意义（P<0.05），而顶叶、颞叶的差异无统计学意义。

       根据表8的ADC值对比分析，1.5 T无液氦磁共振成像在顶叶、额叶、颞叶和枕叶的ADC值测量结果均略高于传统1.5 T磁共振成像，但差异无统计学意义（P>0.05）。

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表6  无液氦磁共振成像组和传统磁共振成像组T1 Flair序列图像信噪比比较
Tab. 6  The signal-to-noise ratio comparison of T1 Flair sequence images between the liquid helium-free magnetic resonance imaging group and the traditional magnetic resonance imaging group

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表7  无液氦磁共振成像组和传统磁共振成像组T1 Flair序列图像对比噪声比比较
Tab. 7  Comparison of contrast-to-noise ratio of T1 Flair sequence images between the liquid helium-free magnetic resonance imaging group and the traditional magnetic resonance imaging group

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表8  无液氦磁共振成像组和传统磁共振成像组的ADC值比较
Tab. 8  Comparison of ADCs between the liquid helium-free magnetic resonance imaging group and the conventional magnetic resonance imaging group

3 讨论

       本研究首次采用主观评价与客观定量分析相结合的方法，系统评估了无液氦1.5 T磁共振成像设备在颅脑成像中的临床应用价值。研究结果表明，无液氦磁共振成像在脑实质和脑脊液成像质量上与传统设备相当，其T1 Flair序列的SNR和CNR表现优良，部分脑区解剖结构显示更为清晰，且DWI的ADC值与传统设备无显著差异。本研究对无液氦磁共振颅脑成像进行了初步临床验证，突破了该领域长期依赖液氦制冷体系成像的固有模式，证实了无液氦磁共振成像技术在消除了液氦使用成本的同时，能够保证图像质量，符合临床诊断要求。这一创新成果为基层医疗机构提供了高性价比的影像解决方案，不仅可缓解三级医院的设备负荷压力，更有望推动磁共振成像技术向偏远地区的普及，使更多患者受益于精准的影像学诊断。

3.1 主观评价比较

       本研究结果显示，在T2WI图像的主观评价中，无液氦磁共振成像组对脑实质和脑脊液的评分均表现良好（脑实质3.85分，脑脊液4.94分），其中脑实质评分接近4分的良好水平，表明该设备已达到临床诊断标准。特别值得注意的是，在T2WI序列中，无液氦磁共振成像对脑脊液-脑组织界面的显示尤为清晰（4.94分），与传统磁共振成像（4.74分）差异较小，这与文献报道的T2WI序列对脑脊液高对比度成像的优势相符^[13]。此外，在脑实质成像方面，虽然传统磁共振成像评分略高（4.26 vs. 3.85分），但两组均显著超过3分的诊断合格线，且观察者间一致性良好（Kappa>0.7），证实了无液氦磁共振成像T2WI图像的诊断可靠性。

3.2 客观评价分析

       本研究通过对两台1.5 T MR设备收集的T1 Flair序列颅脑图像进行客观评分，采用了医学影像质量分析中常用的SNR和CNR作为评估指标。结果表明，这些评估指标具有可靠性，并且表现出较好的可重复性^{[14, 15]}。在客观评分中，本研究表明无液氦磁共振成像测量所有脑区的SNR均稍微优于传统磁共振成像，其中无液氦磁共振成像测量的顶叶、额叶、枕叶以及小脑的SNR与传统的磁共振成像相比差异具有统计学意义，而颞叶和中脑差异不具有统计学意义。此外，无液氦磁共振成像测量的CNR也均稍微优于传统磁共振成像，除了额叶，其余脑区差异均不存在统计学意义。造成这种现象的原因可能是本研究的颅脑图像属于回顾性收集数据，两台设备的扫描参数无法达成一致，使两者测量的结果存在一定的偏差。虽然顶叶、额叶、枕叶和小脑的SNR差异具有统计学意义，但放射科医师诊断评分均>3.5分（5分制），表明这种差异尚未影响诊断可靠性。值得注意的是，这种差异可能反映了设备特性而非诊断效能的本质区别。

3.3 DWI序列和ADC值分析

       DWI是一种用于脑磁共振成像反映活组织功能状态的无创成像技术，其图像质量对临床诊断至关重要。本研究评估了基于DWI序列生成的ADC值，它可以在一定程度上反映白质成熟度和微观结构完整性^{[16, 17]}。结果显示，无液氦磁共振成像组各脑区测量值均高于传统磁共振成像组，但无液氦磁共振成像组与传统磁共振成像组双侧脑半球ADC值差异无统计学意义。这表明，两种设备的扩散成像质量相当，无液氦技术未降低DWI的诊断效能。

       一些研究表明，b值是评估水分子扩散能力的一个重要指标。b值越高，DWI对水分子扩散越敏感，但图像质量可能受到影响^{[18, 19]}。然而，DWI的定量分析需要足够高的SNR^[20]。近年来的研究未给出固定的b值，而是在一定范围内根据设备性能进行个性化设置，以确保在敏感检测病灶的同时，较清晰地显示病变和解剖结构^{[21, 22]}。本研究中，无液氦磁共振成像的DWI序列采用与传统磁共振成像相同的b值，旨在消除b值差异对结果判读的干扰。

3.4 图像质量的评估与临床诊断的平衡

       必须指出，图像质量是一个宽泛的术语，难以进行定量评估^[23]。上述的客观和主观图像质量标准只是定义和影响图像质量的多种因素中的一部分^[24]。此外，图像质量应始终在其完成放射学任务的前提下进行评估。作为一般原则，当物理图像质量提高时，重要的放射学细节将更加清晰，基于诊断任务的表现可能会改善^[25]。然而，它们之间的关系是复杂的。通常情况下，SNR和CNR值越高，图像质量和病变的可检测性就越好。然而，SNR和CNR值无法全面反映图像中的噪声信息或复杂结构，因此不能直接与特定的放射学任务相关联^{[26, 27]}。

       在主观图像质量评估方面，高质量评分的图像可能提高与任务相关的表现。然而，满足所有图像质量标准并不一定是正确诊断的必要条件或充分条件^[28]。例如，漏诊可能是由于放射科医生的错误决策，而非检测能力受限；病变的可见性可能被周围不均匀的解剖背景掩盖，这种情况即便在图像质量优秀时，仍可能降低病变的发现率。此外，在技术/诊断的双重性方面，放射科医生可能接受质量中等或较低的图像作为临床任务的足够依据，而质量较好的图像可能需要技术调整^[29]。尽管如此，图像质量应足够满足临床需求，并为放射科医生提供足够的信息，以便能够高度确定性地做出医疗决策。

3.5 局限性

       本研究虽然证实了无液氦磁共振在颅脑成像中的临床应用价值，但仍存在若干需要深入探讨的局限性。首先，研究仅针对颅脑区域，未能评估该技术在脊柱、关节等其他解剖部位的应用表现，这限制了对其全面临床应用价值的判断。其次，回顾性研究设计导致无法获取配对影像数据，使得设备间比较可能受到个体解剖变异的影响，未来需要通过前瞻性交叉试验设计来优化。再次，尽管已控制基础人口学参数，但受试者生理代谢状态和颅脑解剖差异等潜在混杂因素可能影响客观指标测量。值得注意的是，两种设备采用不同通道数的头部线圈（15通道vs. 32通道），虽然这种差异反映了真实临床场景，但可能部分影响SNR比较结果。最后，研究仅评估了T2WI、T1 Flair和DWI序列，且纳入对象为正常颅脑，缺乏对病灶图像的系统分析，这些都可能影响结论的推广性。未来研究应着重在以下方面进行改进：（1）扩大解剖部位评估范围；（2）采用前瞻性配对研究设计；（3）优化硬件匹配方案；（4）纳入病变病例进行诊断效能分析；（5）探索更多序列的性能表现。这些改进将有助于更全面地评估无液氦磁共振成像技术的临床应用潜力。

4 结论

       无液氦磁共振成像技术在颅脑成像中展现出与传统1.5 T磁共振成像相当的图像质量，其中T1 Flair序列具有优良的SNR和CNR，能清晰显示灰白质交界区等关键解剖结构；T2WI呈现良好的组织对比度，脑脊液与脑实质分界明确且伪影控制良好；DWI序列的ADC测量结果与传统磁共振成像设备无显著差异。综上所述，无液氦磁共振成像技术在临床中具有应用潜力。