磁共振射頻線圈單元數(shù)對圖像信噪比的影響

金瑋，王龍辰，李斌

上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備處, 上海 200030

磁共振射頻線圈單元數(shù)對圖像信噪比的影響

金瑋，王龍辰，李斌

上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)裝備處, 上海 200030

在磁共振成像過程中，射頻線圈用來接收信號(hào)，對成像的質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。用戶在采購磁共振設(shè)備時(shí)往往用線圈的通道數(shù)和單元數(shù)來評(píng)價(jià)一個(gè)線圈的成像能力，而線圈的通道數(shù)又必須和系統(tǒng)的接收通道數(shù)相匹配，因此一般認(rèn)為，在系統(tǒng)其他條件一定的情況下，線圈的單元數(shù)越多，成像質(zhì)量越好。本文以Philips Achieva3.0T磁共振為平臺(tái)，分別選取了8通道8單元的Sense Head（頭部）線圈和16通道18單元的Sense Neurovascular（神經(jīng)血管）線圈作為比較對象進(jìn)行掃描，比較兩者成像的信噪比。另外，選取15通道15單元Sense Spine（全脊柱）線圈，先后用不同數(shù)量的采集單元數(shù)成像，然后對信噪比進(jìn)行評(píng)價(jià)。

磁共振成像儀；射頻線圈；信噪比；頭線圈；神經(jīng)血管線圈；全脊柱線圈

0 前言

隨著磁共振設(shè)備技術(shù)的快速發(fā)展，磁共振設(shè)備的系統(tǒng)配置選擇也由最初的8通道系統(tǒng)逐步發(fā)展到16通道甚至32通道系統(tǒng)，隨之而來的是與系統(tǒng)通道數(shù)相匹配的線圈的不斷升級(jí)和優(yōu)化。另一方面，并行成像技術(shù)也在不斷發(fā)展，如今普通的正交線圈由于其通道數(shù)和單元數(shù)的不足已經(jīng)不能完全滿足成像的需求。因此，在采購磁共振設(shè)備時(shí)，用戶往往追求擁有更多接收單元的并行線圈。然而，許多并行線圈并不包含在設(shè)備廠商所提供的標(biāo)準(zhǔn)配置當(dāng)中，更多的時(shí)候用戶需要另外購買或者升級(jí)更高性能的線圈來獲得更好的圖像質(zhì)量。本文以圖像的信噪比作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，比較

了不同單元數(shù)線圈采集信號(hào)后，形成圖像所產(chǎn)生的信噪比。

1 比較方法

以Philips Achieva3.0T磁共振為測試平臺(tái)，采用相同的序列來對2000CC水模（主要成分是濃度為99%的礦物油）進(jìn)行橫斷位掃描。得到掃描圖像之后進(jìn)行信噪比測量，常用的測量方法有兩種[1]。本次測量選取感興趣區(qū)域ROI，位于水模圖像中心，半徑為水模半徑的90%；另外選取4個(gè)同樣形狀的背景噪聲區(qū)域，半徑為水模半徑的10%。信噪比的計(jì)算按照公式(1)：

其中，S為感興趣區(qū)域的平均信號(hào)強(qiáng)度，即感興趣區(qū)域的平均像素值，單位為1；SD為噪聲信號(hào)強(qiáng)度，即4個(gè)背景噪聲區(qū)域的像素標(biāo)準(zhǔn)差，單位為1。信噪比SNR的單位為1[2]。計(jì)算出感興趣區(qū)域的SNR之后，再描繪出感興趣區(qū)域里選取A-P方向和R-L方向上像素點(diǎn)的信噪比曲線，以此來直觀地評(píng)價(jià)和分析線圈單元數(shù)對圖像信噪比的影響。

2 不同單元數(shù)頭線圈的比較

選取Philips公司8通道8單元Sense Head Coil和16通道18單元Sense Neurovascular Coil為比較對象。掃描序列分別采用T1W_FFE序列（FOV: AP=244 mm, RL=213 mm, Slice thickness=5 mm, Slices=24, Slice gap=1 mm, TE=2.3 ms, TR=250 ms, NSA=2）和T2W_TSE序列（FOV: AP=250 mm, RL=198 mm, Slice thickness=4 mm, Slices=30, Slice gap=1 mm, TE=80 ms, TR=3508 ms, NSA=1）。所得到的感興趣區(qū)域平均像素值和噪聲區(qū)域像素標(biāo)準(zhǔn)差如下。

2.1 T1W_FFE序列

所得到的感興趣區(qū)域平均像素值和噪聲區(qū)域像素標(biāo)準(zhǔn)差，見表1。

表1 感興趣區(qū)域平均像素值和噪聲區(qū)域像素標(biāo)準(zhǔn)差感興趣區(qū)域SNR Sense Head (8channel)2.041.622.792.281693.25775.83 Sense NV (16channel)2.031.681.712.121939.441028.88噪聲區(qū)域A噪聲區(qū)域B噪聲區(qū)域C噪聲區(qū)域D

同時(shí)，我們記錄下圖像R-L方向和A-P方向上每一個(gè)點(diǎn)的像素值，并以這些像素值為橫坐標(biāo)，以信噪比大小為縱坐標(biāo)得到如下關(guān)系圖：Sense Head T1W R-L方向信噪比，見圖1；Sense NV T1W R-L方向信噪比，見圖2；Sense Head Coil T1W A-P方向信噪比，見圖3；Sense NV Coil T1W A-P方向信噪比，見圖4。

2.2 T2W_TSE序列

所得到的感興趣區(qū)域平均像素值和噪聲區(qū)域像素標(biāo)準(zhǔn)差，見表2。

表2 感興趣區(qū)域平均像素值和噪聲區(qū)域像素標(biāo)準(zhǔn)差

同樣，我們記錄下圖像R-L方向和A-P方向上每一個(gè)點(diǎn)的像素值，并以這些像素值為橫坐標(biāo)，以信噪比大小為縱坐標(biāo)得到如下關(guān)系圖：Sense Head T2W R-L方向信噪比，見圖5；Sense NV T2W R-L方向信噪比，見圖6；Sense Head Coil T2W A-P方向信噪比，見圖7；Sense NV Coil T2W A-P方向信噪比，見圖8。

2.3 分析和討論

通過以上表格中記錄的數(shù)值和圖表可以很清楚地看到，由于這兩種線圈均采用了容積式的設(shè)計(jì)形狀，因此，圖像信號(hào)的線性度保持得很好，基本沒有像表面線圈那樣受到接收單元與成像體之間距離變化的影響。另外，不管是在用T1加權(quán)序列還是T2加權(quán)序列掃描，擁有18個(gè)接收單元的Sense NV線圈成像信噪比始終比只有8個(gè)接收單元的Sense Head線圈要高40%，在T2加權(quán)掃描時(shí)兩者之間的差別更加明顯。再觀察圖表上的數(shù)值我們發(fā)現(xiàn)，盡管Sense NV線圈配置的單元數(shù)比Sense Head線圈配置的單元數(shù)多兩倍之多，但在信噪比數(shù)值上并沒有反映出這樣的差距。當(dāng)然，這其中可能有選擇掃描序列的參數(shù)設(shè)置的原因（比如NSA可以取的更大一些增加取樣次數(shù)），也可能有選取方向上的原因（選取的是直線方向上的點(diǎn)而非整個(gè)ROI區(qū)域內(nèi)的隨機(jī)分布點(diǎn)）。但是必須要指出的是，Sense NV線圈雖然經(jīng)常被用來做常規(guī)的頭顱掃描，但是該線圈在神經(jīng)血管方面的成像能力才是其優(yōu)勢所在[3-6]。因此，如果用來做一般的頭顱掃描，從以上成像數(shù)據(jù)來看，跟Sense Head線圈相比，Sense NV線圈在做頭顱常規(guī)掃描時(shí)其優(yōu)勢有限。

3 同一全脊柱線圈不同單元數(shù)的比較

比較過了不同的線圈之后，選取全脊柱線圈開啟數(shù)量不同的接收單元數(shù)來進(jìn)行圖像信噪比的比較。之所以選擇Sense Spine線圈是因?yàn)樵摼€圈掃描范圍相當(dāng)大，是唯一一個(gè)可以根據(jù)用戶需求手動(dòng)調(diào)節(jié)接收單元的線圈。Sense Spine線圈內(nèi)部一共有5個(gè)功率放大器電路板和1個(gè)功率輸出電路板，沿Head-Foot方向順序直線排列。相應(yīng)的，在掃描前用戶在操作界面選擇開啟A-B-C-D-E-F等接收單元，這次我們分別選擇單一開啟E接收單元，D-E雙接收單元和D-E-F三接收單元。掃描區(qū)域定位為腰椎，選用的序列為T1W-TSE（FOV: AP=270 mm, RL=270 mm, Slice thickness=4 mm, Slices=9, Slice gap=0.4 mm, TE=8 ms, TR=442 ms, NSA=2）。用之前的測試方法得到的數(shù)據(jù)如下：

所得到的感興趣區(qū)域平均像素值和噪聲區(qū)域像素標(biāo)準(zhǔn)差，見表3。

表3 感興趣區(qū)域平均像素值和噪聲區(qū)域像素標(biāo)準(zhǔn)差

我們記錄下圖像F-H方向上每一個(gè)點(diǎn)的像素值，并以這些像素值為橫坐標(biāo)，以信噪比大小為縱坐標(biāo)得到如下關(guān)系圖：E-element F-H 方向信噪比，見圖9；DE-element F-H 方向信噪比，見圖10；DEF-element F-H 方向信噪比，見圖11。

從SNR的數(shù)值上來看，前后3次掃描所得到的圖像在感興趣區(qū)域內(nèi)的信噪比沒有很大的差別。換句話來說，僅采用E-element采集單元與采用DE-element采集單元甚至DEF-element采集單元的信噪比數(shù)值，沒有太大差別，這一點(diǎn)在圖上也表現(xiàn)的非常明顯。從以上的對比來看，更多的線圈采集單元數(shù)并沒有帶來明顯的信噪比提升。究其原因，由于全脊柱線圈采用的是采集單元直線式排列，更多的采集單元中必然有一些距離我們的感興趣區(qū)域更遠(yuǎn)，實(shí)際上等于擴(kuò)大了掃描范圍，而更大的范圍往往帶來更多感興趣區(qū)域外的噪聲，這樣即使采集到更多的有效信號(hào)，但同時(shí)也采集到了更多的噪聲信號(hào)，于是就不可避免地導(dǎo)致信噪比沒有像我們預(yù)想的那樣，隨著并行線圈單元數(shù)目的成倍增加而顯著改善。

4 總結(jié)

從所繪的曲線來看，不管是Sense Head線圈還是Sense NV線圈，不管是R-L方向還是A-P方向，精確到每個(gè)像素點(diǎn)上的信噪比數(shù)值連接起來呈一波動(dòng)幅度很小的直線；脊柱線圈無論采用多少個(gè)接收單元，在F-H方向上呈一兩頭低中間高的弧線，越接近圖像中間部分信噪比數(shù)值越高。對于不同的頭線圈，配備18單元數(shù)的NV線圈成像信噪比要高于8單元的相控陣頭線圈，而脊柱線圈在掃描某一特定部位啟用更多接收單元時(shí)的成像信噪比，并沒有明顯優(yōu)于啟用較少接收單元時(shí)的信噪比。

然而，這次對比是在特定的選擇區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的，如果選取更小的感興趣區(qū)域，脊柱線圈在采用更多的單元時(shí)成像的效果可能會(huì)更好，與采用較少單元之間的差距就會(huì)比較明顯。另外，在頭顱掃描過程中我們只選取了T1加權(quán)和T1加權(quán)序列，所設(shè)置的參數(shù)也考慮到了掃描時(shí)間和成像效果之間的平衡，如果采用其他諸如STIR（短時(shí)間反轉(zhuǎn)恢復(fù)）、GRE（梯度回波）等序列時(shí)得到的數(shù)值差異會(huì)有所不同，雖然這種差異在這次的對比過程中表現(xiàn)的并不大。

在購置磁共振配套線圈時(shí)，用戶往往一味的追求高配置，以得到更好的成像效果。但是廠商在自主研發(fā)線圈時(shí)的側(cè)重點(diǎn)不同，有的偏向于增加性噪比提高圖像質(zhì)量，有的則偏向于增加掃描范圍。比如Siemens公司的Tim線圈，其一體化的拼接設(shè)計(jì)使得操作者在改變掃描部位時(shí)不必更換整個(gè)線圈，給用戶帶來了便利，節(jié)約了時(shí)間；這樣的設(shè)計(jì)理念如同Philips公司的全脊柱線圈一樣，堆疊式增加采集單元的確擴(kuò)大了掃描范圍，但是本質(zhì)上對圖像信噪比的影響沒有太大改善。

另外，線圈的成像質(zhì)量不僅決定于硬件配置，線圈本身的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、射頻系統(tǒng)的配置、各系統(tǒng)間的匹配、掃描參數(shù)的設(shè)定、甚至日常的設(shè)備維護(hù)都會(huì)對成像質(zhì)量帶來重要的影響。因此，作為用戶，在采購線圈的時(shí)候應(yīng)該結(jié)合臨床實(shí)際使用的需求明智地選配適合自己的線圈，而不是一味的追求更高的配置參數(shù)。

[1] Kaufman L,Kramer DM,Crooks LE,et al.Measuring Signal-to-Noise Ratios in MR Imaging[J].Radiology,1989,173(1): 265-267.

[2] Price RR,Axel L,Morgan T,et al.Quality assurance methods and phantoms for magnetic resonance imaging:report of AAPM nuclear magnetic resonance task group no 1[J].Med Phys,1990, 17(2):287-295.

[3] 王龍辰,李斌,肖云峰,等.基于信噪差分比方法的磁共振射頻線圈在頭顱血管造影中的對比研究[J].中國醫(yī)療器械雜志, 2011,(4):256-259.

[4] 朱高杰,李斌,魏小二.基于定量對比方法的磁共振射頻線圈的MatLAB圖形化性能研究[J].中國醫(yī)療器械雜志,2010,(3): 180-182.

[5] 朱高杰,李斌,王杰.3.0T磁共振頸部成像中表面線圈和容積線圈性能研究[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2009,(5):18-21.

[6] Bittersohl B,Huang T,Schneider E,et al.High-Resolution MRI of the Triangular Fibro cartilage Complex(TFCC) at3T:Comparison of Surface Coil and Volume Coil[J].Journal of Magnetic Resonance Imaging,2007,26(3):701-707.

Impact of MR Coils Element Numbers on Image Signal to Noise Ratio

JIN Wei, WANG Long-chen,LI Bin
Medical Equipment Department, No.6 People’s Hospital Aff liated to Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China

Radio-frequency (RF) coils are used to receive signals from human bodies during MRI imaging, they are important to the image quality. In the process of purchasing, technicians usually evaluate the imaging quality of RF coils based on their channels and elements numbers. Since the number of coil channels have to be matched with that of MRI system, more elements of RF coils result in better imaging quality under the same condition. In this paper, we chose Philips Achieva3.0T as the platform and compared the signal noise ratios of Sense Head Coil with 8 channels and 8 elements Sense NV coil with 16channels and 18elements. Moreover, we selected 15 channels Sense Spine coil but different number of elements respectively to scan phantoms and evaluate SNR.

MRI; radio-frequency coil; signal noise ratio; sense head coil; sense neurovascular coil; sense spine coil

R445

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.08.038

1674-1633(2012)08-0116-04

2012-03-02

作者郵箱：stlastday@yahoo.cn