心脏磁共振中1.5T、3T与7T场强下心电图信号的定量混杂因素分析：评估标准化电极位置与序列类型对质量保证的意义

　　本研究前瞻性量化了磁场强度（1.5T/3T/7T）、电极位置和成像序列对心脏MRI心电图（ECG）门控信号的影响。通过QRS特征相关性分析发现，场强增加显著降低ECG信号质量（7T相似性仅50.4%），厂商推荐电极位置（pos1/2）优于替代方案（pos3/4），而序列类型对ECG失真影响较小。该研究为超高场心脏MRI的ECG门控质量保证提供了重要定量依据。

　　

引言

心脏磁共振成像（MRI）被视为评估心脏功能、容积和形态学的金标准技术。为补偿心脏运动，大多数MRI技术依赖于心电信号同步采集（心脏门控）。然而在MRI扫描腔内，心电图（ECG）信号会受到多种混杂因素的干扰，包括射频脉冲、切换磁场梯度，以及磁流体动力学（MHD）效应——带电离子在磁场中受洛伦兹力作用产生的电势。这种效应与场强成正比，在QT段最为明显，约在R波后107ms出现。随着场强从1.5T增加到7T，ECG信号质量和门控性能显著下降。

除了场强影响，电极位置和成像序列类型也是重要混杂因素。先前研究强调电极定位对信号质量的关键作用，厂商推荐位置与替代方案各有优势。同时，采用强梯度快速切换的序列会进一步影响ECG信号。这些因素的叠加效应可能导致门控失败、图像伪影和测量误差，尤其在超高场（UHF）条件下更为突出。

材料与方法

本研究经当地伦理委员会批准，16名健康志愿者（8男8女，平均年龄26.25±7.67岁）参与。所有志愿者签署知情同意书，无心血管疾病史或MRI禁忌症。

场强与设备：在1.5T（MAGNETOM Avanto fit）、3T（MAGNETOM Skyra fit）和7T（MAGNETOM 7T）设备（西门子医疗）上进行扫描。

电极位置：定义了四种标准化电极位置：

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  位置1（pos1）：厂商推荐的3导联ECG设置（适用于7T）
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  位置2（pos2）：厂商推荐的4导联设置（适用于1.5T/3T）
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  位置3（pos3）：基于超高场MRI替代位置建议
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  位置4（pos4）：背部与前外侧胸壁适配位置

MRI协议与序列：首先在扫描腔外记录基线ECG信号（无混杂因素），随后在腔内进行短轴电影（sax）和4D血流序列采集。sax扫描采用平衡稳态自由进动序列（bSSFP，1.5T/3T）和快速小角度激发梯度回波序列（FLASH-GRE，7T），分别进行屏气（bh）和非屏气（nbh）采集。4D血流序列代表高梯度切换率的序列类型。

ECG信号提取与后处理：ECG信号以400Hz采样率记录。通过提取120ms窗口内R波周围信号的平均值构建QRS特征向量，使用皮尔逊相关系数（r）计算测试信号与基线信号的相似性。

图像质量分析：三位经验不同的观察者采用四点李克特量表（0-3分）对电影图像质量进行主观评估。

统计分析：采用线性混合模型（志愿者作为随机效应，场强、序列类型和电极位置作为固定效应），通过III型固定效应检验和t检验进行组间比较，显著性水平设为p<0.05。

结果

数据采集：共获得1536次ECG测量，1447次（94.2%）纳入分析。89次测量（5.8%）因ECG文件损坏、信号提取失败、数据传输问题或扫描完全失败而被排除。

场强影响：场强增加导致ECG信号与基线相似性显著降低：1.5T为97%（92.6-101.3）、3T为91.4%（87.1-95.8）、7T为50.4%（46-54.9）。主观图像质量评分也随场强增加而下降：1.5T为2.33（2.12-2.55）、3T为1.96（1.75-2.17）、7T为0.91（0.7-1.12）。

电极位置影响：厂商推荐位置（pos1/2）的整体表现显著优于替代位置（pos3/4）。pos1与pos2间无显著差异（r值差3.57%，p=0.38），pos3与pos4间也无显著差异（3.32%，p=0.43）。亚组分析显示，在1.5T下各种位置间无显著差异；在3T和7T下，pos1/2显著优于pos3/4。图像质量评分在各位置间无显著差异。

序列类型影响：4D血流与sax序列间无显著差异（4D-sax bh：-2.01%，p=0.55；sax nbh-4D：2.81%，p=0.31）。但sax nbh与sax bh间存在显著差异（4.81%，2.88-6.72）。在7T下，sax nbh与sax bh的差异更为明显（14.01%，10.51-17.48）。sax bh的图像质量评分（2.13）显著高于sax nbh（1.34）。

多因素组合分析：场强增加导致r值降低，电极位置间的最大差异出现在7T条件下。

讨论

场强影响：与先前研究一致，场强增加通过增强MHD效应导致ECG信号失真加剧。本研究在接近临床实际扫描条件下量化了这一效应，为MRI研究中的门控问题预估提供了依据。为克服场强相关伪影，研究者提出了脉搏波触发、心音图（ACT）和基于导频音的门控等替代技术，但这些方法需要额外硬件支持，且ECG门控仍是当前临床标准。

电极位置影响：多通道ECG设备可能改善信号质量，但在广泛应用前，电极位置优化至关重要。本研究发现在1.5T下，厂商推荐位置与替代位置效果相当；而在3T/7T下，厂商推荐位置表现更佳。不同胸腔配置可能影响ECG信号，这可能是与先前研究结果差异的原因之一。

序列类型影响：与早期研究不同，本研究发现sax电影与4D序列间无显著差异，可能得益于改进的滤波方法和高阻抗电缆的使用。屏气与非屏气采集间的差异主要出现在7T条件下，可能与采集持续时间及呼吸影响有关。

局限性：本研究样本量较小（n=16），且志愿者均为健康人群，结果可能不完全适用于临床患者。图像质量评估仅针对sax电影序列。

结论

场强增加显著降低ECG信号质量。在1.5T下，厂商推荐与替代电极位置可互换使用；在3T/7T下，厂商推荐位置（pos1/2）产生的ECG失真少于替代位置（pos3/4）。sax电影与4D序列在1.5T和3T下对ECG失真影响无显著差异，但在7T下屏气与非屏气采集间存在显著差异。这些发现为超高场心脏MRI的ECG门控质量保证提供了重要指导。