一種磁共振成像裝置質量控制測試體模的研制

徐 桓 趙慶軍* 張秋實

一種磁共振成像裝置質量控制測試體模的研制

徐 桓①趙慶軍①*張秋實①

目的：設計一種功能全面、結構簡單及測量精度高的磁共振成像(MRI)質量控制測試體模。方法：通過對MRI原理以及影響MRI圖像質量的技術參數進行深入研究，提出體模應具備的性能指標，確定材料、加工工藝、加工精度等技術方案，采用數字控制機械加工的方式試制出MRI測試體模1套；將其與同類進口體模進行比對實驗，分析其測試結果是否具有一致性。結果：自制體模的各項技術參數的測試結果與同類進口體模的測試結果一致性較好，測試組件更全面，低對比度分辨力等技術指標優于進口體模。結論：設計研制的測試體模能夠滿足醫院MRI日常質量控制工作的需要。

磁共振成像；質量控制；體模

[First-author’s address] The Institute for Drug and Instrument Control of Health Department GLD of PLA,Beijing 100071,China.

隨著影像學技術的發展，影像診斷技術在整個醫療過程中所起的作用至關重要。而醫用磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)裝置作為當今先進醫學影像診斷設備之一，可實現對多數人體病變的明確診斷，但其影像質量直接影響臨床診斷效果。為了保證臨床診斷效果以及設備的正常運行，獲得優質影像，質量控制工作已經成為MRI設備使用中的重要環節。目前，國際電工委員會(IEC)、美國電氣制造商協會(NEMA)、美國醫學物理家學會(AAPM)等均針對MRI質量控制出臺了相關標準，同時AAPM與美國放射學院(ACR)研制了相應的MRI測試體模，用于MRI的日常質量控制。MRI體模為國外進口，價格昂貴。為了滿足MRI日常質量控制工作的需要，本研究在對MRI質量控制標準進行深入研究的基礎上，通過對MRI設備質量控制工作進行大量的實驗研究，設計了一套既符合現行標準要求，又能滿足MRI日常質量控制需求的體模。通過與進口體模進行比對實驗，其實驗結果具有較好的數據一致性。

1 MRI測試體模設計思路

通過對MRI成像原理、不同射頻線圈的技術特性、以及影響MRI圖像質量的技術參數進行深入研究，提出滿足MRI質量控制要求的性能測試體模應具備的性能指標，并確定其制作材料可行性、工藝設計等技術方案，在進口的MRI體模基礎上對結構進行重新設計，研制出包含定位組件、空間分辨力、低對比度分辨力、均勻性、噪聲及層厚等多個測試組件的MRI測試體模。

2 MRI測試體模設計原理

2.1 體模的基本結構

MRI質量控制測試體模外形設計為圓柱體結構，可方便放置于MRI的各種射頻線圈中。體模由圓柱形外筒與空間分辨力測試組件、低對比度分辨力測試組件、均勻性與噪聲測試組件、層厚測試組件(2種)、幾何畸變測試組件(2種)及MTF測試組件等8個獨立可替換的測試組件組成。圓柱形外筒直徑為20 cm，長為25 cm。各獨立測試組件均設計為圓盤形，圓盤上分別設計4個圓孔，通過4根通心柱固定在圓柱體外筒的上下兩個底板上。圓柱體外筒可一次性固定最多5個測試組件，其他組件可根據測試的不同需要進行替換。體模材質主要為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。內部液體為氯化鎳、氯化鈉混合溶液或硫酸銅溶液，其產生的磁共振信號的特性應與患者身體相類似(T1時間＜1200 ms，T2時間＞50 ms)。

2.2 體模的工作原理

關于MRI質量控制現行有效的標準與方法有很多，體模的設計主要參照國家標準YY/T 0482-2010醫用成像磁共振設備主要圖像質量參數的測定[1](簡稱“標準”)、AAPM 100號報告[2-3]以及美國電氣制造商協會NEMA的MS系列測試標準[4-6]。其中，“標準”等同引用了IEC 62464-1：2007，為國內最新頒布的并現行有效的MRI質控檢測標準；是否滿足該標準的要求，成為了檢驗體模設計是否成功的關鍵。體模設計覆蓋了“標準”中規定的6項關鍵技術指標，包括信噪比、均勻性、二維掃描的層厚、二維幾何畸變、空間分辨力和鬼影。

(1)信噪比與均勻性測試組件。信噪比測試要求體模能夠提供產生一定體積的均勻信號[7-8]，而對體模的外形沒有明確要求，可以為圓柱體、球體或橢圓體。對于體部測試，要求最小的截面積是直徑200 mm的圓，對于頭部測試，要求最小的截面積是直徑150 mm的圓。因此，體模設計時充分考慮了頭、體部測試的不同需要，同時，也考慮到當前主流MRI機型的頭部射頻線圈的尺寸，將體模設計為直徑200 mm的圓柱體，可同時滿足頭、體測試的同時，又能保證體模能夠放置于頭部射頻線圈當中。體模內部則填充能夠產生磁共振信號的均勻液體材料[9-11]。均勻性測試可同樣采用此測試組件完成。

(2)層厚測試組件?！皹藴省敝幸幎藘煞N不同的層厚測試方法，分別為斜板法與斜楔法?；诖?，體模也分別了設計了斜板與斜楔兩種不同的測試組件。斜板設計為兩個厚度為1.6 mm的交叉斜板，二交叉斜板的斜面與MRI成像的軸設計為一個固定角度α，MRI成像時，斜板將產生一個等腰梯形信號強度剖面。斜楔則設計為兩個反向的楔形。兩個楔形的斜面與MRI掃描平面形成一個固定角度α，斜楔同樣能夠產生一個信號強度剖面。可根據斜板或斜楔產生的信號強度剖面線進行分析處理后完成層厚的測量[12-13]。

(3)二維幾何畸變測試組件。二維幾何畸變同樣設計為2種不同的測試組件。按照“標準”的要求，設計為一個直徑為20 mm的PMMA圓盤，在圓盤的中心垂直固定一根直徑為1.6 mm的中心釘，其材質同樣為PMMA，中心釘與圓盤邊界作為測試點，通過測量二者之間的距離完成幾何畸變的測試；另一種為格柵式模型，由8×8個正方形柵格構成，柵格的邊長為0.9 cm。格柵式模型的優點在于可以直觀的看出圖像的幾何畸變。

(4)空間分辨力測試組件。空間分辨力組件設計為不同寬度的10組線對，分別為1～10 Lp/cm。線對分布于由PMMA制成的圓盤上，由不同寬度的長方形槽間隔形成，占空比為1∶1。將該組件通過MRI成像，可分辨的最小線對數即為MRI的空間分辨力。

(5)低對比度分辨力測試組件。低對比度分辨力考察MRI分辨低對比度目標物體的能力[14-15]，相比CT等其他影像類設備，MRI設備的低對比度分辨能力優勢明顯，因此“標準”并為對該技術指標提出具體要求，參考AAPM的100號報告內容，為體模設計了低對比度分辨力測試組件。該組件由分布于PMMA圓盤上的5組不同深度的圓孔組成，孔深分別為2 mm、1 mm、0.75 mm、0.5 mm和0.25 mm；每組則由4個不同直徑的圓孔組成，孔的直徑分別為2 mm、4 mm、6 mm和8 mm。該組件通過不同的孔深設計實現了不同的對比度，通過不同孔徑實現了相同對比度下對不同尺寸目標物體的分辨能力測試。

(6)MTF測試組件。MTF測試組件的設計簡單實用，為1 cm厚度的半圓形PMMA模型，其半圓的直邊可用于刃邊法進行MTF測試。配合ImageJ設計的Java程序組件，可實現MTF的快速測試。

3 MRI測試體模設計特點

該體模設計結構精巧、密封良好、組件獨立、拆裝靈活，具備5個測試層，8個可替換的測試組件，適用于0.3～3 T標準醫用磁共振系統頭體線圈的圖像質量測試，能夠滿足MRI日常質量控制需要。MRI測試體模設計過程中充分考慮了機械加工的公差，對各設計組件的幾何尺寸的最大允許誤差進行了嚴格規定，保證了體模的測試精度，與進口體模相比，測試組件更加全面，低對比度分辨力等組件的設計指標更是優于同類進口體模(如圖1所示)。

圖1 MRI體模測試圖像

4 實驗數據及比較分析

對于MRI體模，國內目前尚無計量機構能夠對其進行檢定或校準，為保證其測試結果的準確性，設計了一組比對實驗。將自制體模與體模實驗室的Magphan SMR170測試體模進行比對。選取相同的TR、TE，不同層厚、不同成像矩陣，對兩組體模的空間分辨力、層厚等參數進行比較，其結果一致性非常好。這里僅列出了空間分辨力、層厚2個易受加工精度、幾何尺寸影響的技術參數的比較結果見表1。

表1 兩組體模參數測試結果數據比較

5 結論

本研究從醫院進行MRI質量控制的實際需求出發，對現有體模的功能結構、技術指標進行分析的基礎上，設計出了一種功能全面、結構簡單、體積小、測量精度高的MRI質量控制測試體模，同時，由于該體模為自行設計研制，大大降低了加工成本，既能滿足MRI質控需要，又能盡量較少醫院的負擔。分析結果表明，該體模的幾個不同測試組件均滿足MRI測試的要求，但考慮到實際測試中可能存在擺位誤差等人為因素的影響，目前進行測試的樣本量還不夠大，無法準確給出不同測試組件的測試結果的測量誤差或不確定度。

MRI測試體模的設計雖然已盡量包含了MRI質量控制中的各項技術參數，但是由于MRI設備本身的復雜性，如要完成MRI設備的圖像質量的全面測試，單一體模確實無法勝任。因此，體模也存在以下限制與不足：①該體模不能覆蓋所有的MRI射頻線圈的測試需要，如無法實現表面線圈的均勻性的測試；②MRI成像靈活，可在冠狀位、矢狀位和軸狀位3個方向同時成像，在體模的設計時，盡量考慮到3個方向的測試需求，但由于體模設計為圓柱形結構，無法完成二維幾何畸變、空間分辨力等參數的3個方向的測試，只能實現軸狀位的測試。如需進行另外2個方向的測試，仍需單獨設計球型體模而完成。盡管存在上述問題，在MRI日常質量控制中無需要對上述情況進行測試，因此該測試體模能夠完全勝任醫院MRI日常質量控制工作。

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Development of a test phantom used for MRI’s quality control

/XU Huan, ZHAO Qing-jun, ZHANG Qiu-shi// China Medical Equipment,2014,11(10):83-85.

Objective: Design a test phantom with a full function, simple structure and high accuracy which is used for MRI’s Quality Control. Methods: Through a intensive study in imaging principle of MRI and parameters which effect the image quality ,first come up with the phantom’s performance data, and then determine the technical solutions including the choosing material, processing technology, the machining precision, at last develop a trial set of MRI test phantom using the method of numerical control machining. Make a comparative experiment between this phantom and the similar imported one to analyze the consistency of the results by the two phantoms. Results: The result of all the technical parameters of this phantom is consistent with the result of the imported one. There are some extra test components which the imported phantom doesn’t contain. Some performance data like the low contrast resolution are superior to the imported phantom. Conclusion: This MRI test phantom can satisfy the requirement of the daily quality control work in hospital.

Magnetic resonance imaging; Quality control; Phantom

1672-8270(2014)10-0083-03

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.10.028

2014-06-16

①總后藥品儀器檢驗所放射儀器室 北京 100071

*通訊作者：yjszqj@sina.com

徐桓，男，(1981- )，本科學歷，工程師。總后藥品儀器檢驗所放射儀器室，從事大型醫療設備檢測工作。