3.0T磁共振相控陣線圈信噪比計(jì)算方法的定量對(duì)比研究

【作 者】王龍辰，金瑋，李逸明，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，上海市，200233

3.0T磁共振相控陣線圈信噪比計(jì)算方法的定量對(duì)比研究

【作 者】王龍辰，金瑋，李逸明，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，上海市，200233

采用對(duì)ACR單幅圖像法和NEMA兩幅圖像法兩種相控陣線圈進(jìn)行信噪比測(cè)量，計(jì)算得到兩種方法的相關(guān)性方程，并對(duì)兩種方法進(jìn)行相互可替代性分析。結(jié)果表明兩者在評(píng)價(jià)線圈性能上具有可替代性，但由于消除了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)噪聲，使NEMA兩幅圖像法的測(cè)量結(jié)果高于ACR單幅圖像法。

信噪比； 相控陣； 射頻線圈

0 引言

近年來(lái)，磁共振射頻線圈技術(shù)的發(fā)展非常迅速，線圈的形狀、種類呈現(xiàn)多樣化，而其中相控陣線圈是目前應(yīng)用最廣泛的一種射頻線圈[1-2]。射頻線圈是磁共振設(shè)備的重要組成部分，其性能很大程度上決定了成像效果，并最終影響臨床診斷，因而對(duì)它進(jìn)行性能評(píng)價(jià)顯得尤為重要[3]。

信噪比是評(píng)價(jià)磁共振射頻線圈性能的重要指標(biāo)之一，但線圈信噪比的計(jì)算方法卻多種多樣，得到的計(jì)算結(jié)果也不盡相同[4-6]。線圈結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)磁場(chǎng)、結(jié)構(gòu)噪聲等都對(duì)信噪比有直接影響。相控陣線圈是通過(guò)將一系列小的表面線圈單元進(jìn)行合理組合，使在獲得高信噪比的同時(shí)又能保證較大的靈敏度范圍。但目前并沒(méi)有對(duì)該類線圈不同信噪比計(jì)算方法進(jìn)行過(guò)定量研究，因而對(duì)相控陣線圈信噪比計(jì)算方法進(jìn)行定量計(jì)算研究具有很大的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。本文分別采用ACR單幅圖像法和NEMA兩幅圖像法對(duì)相控陣線圈進(jìn)行定量對(duì)比研究，得到兩種計(jì)算方法的相關(guān)性方程，并對(duì)兩者進(jìn)行可替代性分析。

1 設(shè)備和材料

磁共振設(shè)備為3.0T Intera Achiva（Philips Medical System，Best，Netherlands），線圈一為8通道相控陣頭線圈，線圈二為16通道頭頸聯(lián)合線圈，體模采用的Philips標(biāo)配的3 000 ml礦物油模。線圈一掃描采用T1W-SE序列，重復(fù)時(shí)間TR=450 ms，回波時(shí)間TE=10 ms，成像視野為FOV=230 mm×183 mm，層厚=4 mm，層數(shù)=24，成像矩陣=512×512，采集次數(shù)NSA=1。線圈二掃描采用T1W-SE序列，重復(fù)時(shí)間TR=590 ms，回波時(shí)間TE=10 ms，成像視野為FOV=230 mm×183 mm，層厚=4 mm，層數(shù)=24，成像矩陣=512×512，采集次數(shù)NSA=1。

2 信噪比計(jì)算方法

2.1 ACR單幅圖像法

ACR（American College of Radiology）單幅圖像法是由美國(guó)放射協(xié)會(huì)提出[7]，測(cè)量感興趣區(qū)域的平均信號(hào)強(qiáng)度作為信號(hào)，取背景信號(hào)區(qū)域的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差作為噪聲。信噪比計(jì)算公式為：

上式中，S 是ROI區(qū)域中的平均信號(hào)強(qiáng)度，SDair為視野邊角上的空氣部分的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差。ROI一般選為圓型，半徑為體模面積的90%左右；空氣區(qū)域則一般較小，位置在FOV的四個(gè)角上，占體模半徑的10%左右[8]。同時(shí)，在空氣區(qū)域中要避免有明顯的偽影和濾波偽影，因?yàn)檫@會(huì)導(dǎo)致信噪比計(jì)算的明顯偏差[9]。

圖1 ACR單幅圖像法測(cè)量信噪比Fig.1 SNR measurement using ACR single image method

2.2 NEMA兩幅圖像法

NEMA（National Electrical Manufactures Association）兩幅圖像測(cè)量法是利用同樣的掃描序列對(duì)同一部分連續(xù)成兩次像，第一次掃描結(jié)束到第二次掃描開(kāi)始的時(shí)間間隔不大于5 min[10]，然后將兩幅圖像相減得到相減后的圖像。在相減后的圖像的感興趣區(qū)域計(jì)算圖像的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差作為噪聲值，在相減之前的任一幅圖像的感興趣區(qū)域中計(jì)算圖像的信號(hào)平均值作為信號(hào)值。信噪比計(jì)算公式為：

其中，公式中的S表示兩幅圖像中任一幅圖像ROI區(qū)域的平均信號(hào)強(qiáng)度，SD1-2表示兩幅圖像相減得到的圖像在ROI區(qū)域中的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差。由于理想圖像的噪聲為高斯分布，相減后圖像的噪聲為原始圖像√2倍，因此上式用√2作為信噪比補(bǔ)償。ROI的選取與單幅圖像測(cè)量法相同。

圖2 NEMA兩幅圖像法測(cè)量信噪比Fig.2 SNR measurement using NEMA dual-image method

2.3 不同方法的對(duì)比研究

采用上述兩種線圈和序列分別進(jìn)行了10次成像實(shí)驗(yàn)，其中每次實(shí)驗(yàn)需運(yùn)用同一序列參數(shù)連續(xù)進(jìn)行兩次掃描，用兩幅圖像法進(jìn)行圖像相減計(jì)算線圈信噪比。單幅圖像法計(jì)算信噪比采用的圖像為第一次掃描時(shí)產(chǎn)生的圖像。用兩幅圖像法計(jì)算信噪比時(shí)，采用的圖像保證其在兩次采集中的層數(shù)一致。

關(guān)于采用兩幅圖像計(jì)算信噪比，本研究采用MATLAB實(shí)現(xiàn)圖像的相減運(yùn)算。為了保證圖像信息的完整性，本研究對(duì)DICOM圖像進(jìn)行了直接讀取并計(jì)算，部分程序代碼如下所示：

info1=dicominfo(‘IM10-3’. dcm)；

X=dicomread(info1)；f

i gure, imshow(X)；

imcontrast；

imview(X)；

imcontrast；

為了比較兩種方法的差異性，我們采用了Bland和Altman提出的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，對(duì)兩種不同方法的相關(guān)性及可替代性進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析[11]。該方法是繪制上述兩種不同方法得到結(jié)果的差值與平均值的坐標(biāo)圖，若數(shù)據(jù)點(diǎn)在d-2SD和d+2SD（d 表示信噪比差值均值，SD為方差）之間的數(shù)目占所有數(shù)據(jù)的95%以上，則可認(rèn)為兩種方法在評(píng)價(jià)該指標(biāo)上是具有可替代性的。

3 結(jié)果分析

3.1 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

表1 線圈一信噪比測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.1 SNR measurement using coil 1

表2 線圈二信噪比測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 SNR measurement using coil 2

采用8通道相控陣頭線圈得到的兩種方法測(cè)試信噪比的數(shù)據(jù)如表1所示，采用16通道頭頸聯(lián)合線圈得到得兩種方法測(cè)試信噪比的數(shù)據(jù)如表2所示。其中，S為感興趣區(qū)域的平均信號(hào)強(qiáng)度，SD1-2為相減后的圖像在感興趣區(qū)域的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差，SDair為單幅圖像法中air區(qū)域的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差。

按照上述兩種方法分別計(jì)算得到的兩種線圈信噪比如表3所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，兩幅圖像法測(cè)得的信噪比值都明顯高于ACR單幅圖像法測(cè)得的信噪比值。對(duì)于線圈一，ACR單幅圖像法10次測(cè)得的信噪比的平均值為461.29，兩幅圖像法10次測(cè)得的信噪比的平均值為857.12，兩幅圖像法測(cè)得的信噪比值是ACR單幅圖像法測(cè)得的信噪比值的1.86倍。對(duì)于線圈二，ACR單幅圖像法10次測(cè)得的信噪比的平均值為637.37，兩幅圖像法10次測(cè)得的信噪比的平均值為1085.30，兩幅圖像法測(cè)得的信噪比值是ACR單幅圖像法測(cè)得的信噪比值的1.70倍。

表3 兩種線圈不同信噪比計(jì)算方法結(jié)果Tab.3 SNR measurement results using two coils

3.2 相關(guān)性檢驗(yàn)分析

采用8通道相控陣頭線圈時(shí)，運(yùn)用ACR單幅圖像法測(cè)得的10次信噪比的平均值為461.29，方差為26.38，兩幅圖像法測(cè)得的10次信噪比的平均值為857.12，方差為32.68。假設(shè)采用兩種方法測(cè)量信噪比時(shí)的不確定因素是隨機(jī)的，即不相關(guān)的，則兩種方法測(cè)量信噪比差值的方差應(yīng)為

為了比較兩種方法的差異性，運(yùn)用上述統(tǒng)計(jì)方法，分別繪制了兩種方法計(jì)算得到的信噪比差值，關(guān)于兩種方法的信噪比平均值的坐標(biāo)圖，如圖3所示。圖中直線為信噪比差值的平均值，兩條虛線分別為平均線上移2SD（SD即為上述計(jì)算得到的方差）和下移2SD個(gè)單位。從圖中可以看出，所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)都位于兩條虛線之間，即兩種方法得到的信噪比差值都介于

圖3 8通道線圈兩種方法得到的信噪比差值與均值Fig.3 SNR difference against their mean value between two methods using 8-channel coil

采用16通道頭頸聯(lián)合線圈時(shí)，運(yùn)用ACR單幅圖像法測(cè)得的10次信噪比的平均值為637.37，方差為23.11，兩幅圖像法測(cè)得的10次信噪比的平均值為108.30，方差為133.52。假設(shè)采用兩種方法測(cè)量信噪比時(shí)的不確定因素是隨機(jī)的，即不相關(guān)的，則兩種方法測(cè)量信噪比差值的方差應(yīng)為圖4為運(yùn)用16通道頭頸聯(lián)合線圈時(shí)兩種方法計(jì)算得到的信噪比差值關(guān)于兩種方法的信噪比平均值的坐標(biāo)圖。圖中直線為信噪比差值的平均值，兩條虛線分別為平均線上移2SD（SD即為上述計(jì)算得到的方差）和下移2SD個(gè)單位。可以看出，所有的數(shù)據(jù)點(diǎn)都位于兩條虛線之間。

圖4 16通道兩種方法得到的信噪比差值與均值Fig.4 SNR difference against their mean value between two methods using 16-channel coil

通過(guò)上述分析可以看出，采用兩種方法計(jì)算線圈信噪比時(shí)，信噪比差值都位于d-2SD和d+2SD之間。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，當(dāng)95%的數(shù)據(jù)點(diǎn)位于(d-1.96SD，d+1.96SD)時(shí)，可認(rèn)為這些數(shù)據(jù)點(diǎn)為正態(tài)分布。因而此處得到的信噪比的差值是服從正態(tài)分布的，可以認(rèn)為兩種計(jì)算信噪比的方法是可以替代的。

為了更好的描述兩種方法的關(guān)系，本文對(duì)信噪比差值與平均值做了線性回歸，如圖5所示。圖中回歸線的斜率為0.5 092，截距為34.776。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到兩種方法信噪比的關(guān)系為：

其中SNRsingle為單幅圖像法得到的信噪比，SNRdual為兩幅圖像法得到的信噪比。可以看出，當(dāng)圖像信噪比值較大時(shí)，兩幅圖像法計(jì)算得到的信噪比約為單幅圖像信噪比的1.68倍。

圖5 信噪比差值與均值線性回歸Fig.5 The regression line of the SNR difference and mean value

4 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)單幅圖像法與兩幅圖像法進(jìn)行細(xì)致的比較分析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試對(duì)比發(fā)現(xiàn)，它們之間存在很好的線性一致關(guān)系，兩幅圖像法得到的信噪比值是單幅圖像法測(cè)得的信噪比值的1.68倍。通過(guò)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法分析，兩種方法計(jì)算得到的信噪比差值符合正態(tài)分布，表明兩種方法得到的信噪比差距是可以接受的，單幅圖像法可以替代兩幅圖像法計(jì)算信噪比。當(dāng)然，若采用不同的磁共振系統(tǒng)及線圈進(jìn)行分析時(shí)，得到的兩種方法的關(guān)系方程可能會(huì)略有差異，這是由于不同的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)噪聲會(huì)有不同，并且系統(tǒng)磁場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)對(duì)信噪比有很大的影響，也會(huì)將兩種方法的差別進(jìn)行放大和縮小[12]。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可以看出，兩幅圖像法的信噪比值高于單幅圖像法的信噪比值。這是由于兩幅圖像法在進(jìn)行圖像相減時(shí)消除了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)噪聲，使得噪聲減小，信噪比增大；而單幅圖像法在計(jì)算信噪比時(shí)，在背景區(qū)域的選取上，不可避免的會(huì)將非均勻性、偽影等結(jié)構(gòu)噪聲選擇上，從而造成噪聲增加，使得信噪比減小。另外，在磁共振線圈進(jìn)行臨床應(yīng)用時(shí)，磁共振系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)噪聲是無(wú)法消除的，所以采用兩幅圖像法進(jìn)行測(cè)試線圈信噪比會(huì)造成對(duì)噪聲的低估，而采用單幅圖像法更符合實(shí)際性。

運(yùn)用兩幅圖像法和單幅圖像法分別計(jì)算信噪比，可以用來(lái)對(duì)系統(tǒng)質(zhì)量狀況進(jìn)行評(píng)估[13]。例如當(dāng)兩種方法得到的信噪比值差別較小時(shí)，可以認(rèn)為系統(tǒng)穩(wěn)定性較好；反之，當(dāng)兩種方法得到的信噪比差別較大時(shí)，說(shuō)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性噪聲較大，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

總的來(lái)說(shuō)，兩幅圖像法更為精確。但單幅圖像法操作更簡(jiǎn)便，不需要輔助軟件，而兩幅圖像還必須要保證兩次測(cè)試期間系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，從實(shí)用的角度來(lái)說(shuō)，無(wú)論是臨床磁共振質(zhì)量控制或者是對(duì)線圈信噪比的測(cè)試，采用單幅圖像法更便捷。

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Quantitative Comparison Study on the SNR Method of Phased-array Coil in 3.0 T MRI

【 Writers 】Wang Longchen, Jin Wei , Li Yiming, Li Bin
Dept of Medical Equipment, the Sixth People’s Hospital Af fi liated to Shanghai Jiao Tong University, Shanghai, 200233

SNR, phased-array, radiofrequency coil

R445.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2013.01.003

1671-7104(2013)01-0010-04

2012-08-21

上海市科委研究基金項(xiàng)目（11441901602）

王龍辰，Email: wanglch666@126.com

李斌，教授級(jí)高級(jí)工程師，Email: libin2001@hotmail.com

【 Abstract 】In this paper, ACR single image method and NEMA dual-image method were measured SNR using two types of phased-array coils. The correlation equation of the two methods was obtained and substitutability of two methods was analyzed. The results showed that the two methods are replaceable in the evaluation of coils, but the later method gets higher SNR than the fi rst method because structure noise is eliminated..