基于自動計算和線上分析的磁共振成像質量控制系統(tǒng)的研究*

張春青 王 洪 賀瑤瑤 袁子龍 郭 磊 侯 坤 彭 磊 楊秀云 徐龍春 趙慧慧 邱建峰*

基于自動計算和線上分析的磁共振成像質量控制系統(tǒng)的研究*

張春青①王 洪②賀瑤瑤②袁子龍③郭 磊④侯 坤②彭 磊⑤楊秀云②徐龍春②趙慧慧②邱建峰②*

目的：探討磁共振成像(MRI)自動質量控制的方法，在線給出縱向和橫向質量控制評估報告的磁共振成像檢測和控制系統(tǒng)。方法：按照MRI系統(tǒng)測試標準，基于Matlab和C++語言編程構建包括客戶平臺和遠程線上平臺的軟件系統(tǒng)，客戶平臺使用形態(tài)學運算、圖像分割和模式識別技術，實現對磁共振掃描質量控制體模所得圖像的信噪比、對比度等13個質量控制參數的自動計算。遠程線上平臺基于MySQL數據庫格式存儲并上傳測試報告，線上平臺建立基于本機、同型號機型和同類機型的月測試和年測試線上大數據平臺，縱向和橫向比較后自動生成線上評估質量控制報告。結果：MRI質量控制測試系統(tǒng)經過對50臺不同區(qū)域、型號和類別MRI實際質量控制工作驗證，得到準確的測試和評估報告。系統(tǒng)可以進行13個質量控制參數的常規(guī)自動測算和報告生成，運行穩(wěn)定可靠。結論：設計和完成能夠自動計算圖像質量并進行質量控制評估的軟件系統(tǒng)，能夠為MRI質量控制提供一種測試長期和短期穩(wěn)定性的可靠工具。

質量控制；質量保證；體模；自動計算；線上分析；磁共振成像

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)的質量保證(quality assurance，QA)和質量控制(quality control，QC)是確保MRI系統(tǒng)正常運行，磁共振圖像符合診斷標準的重要保障[1-3]。QA/QC的具體內容包含：使用體模作為測試標準器，對分辨率和對比度等MRI參數進行測試計算；通過成像軟件和專用測試工具，對中心頻率、射頻增益或衰減等進行物理測量；人工定量確認軟件系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)和打印系統(tǒng)是否正常良好工作等[4-6]。其中，MRI參數測試是磁共振QA/QC的最重要組成部分。

在歐美發(fā)達國家，MRI的質量控制工作已成為一項常規(guī)檢測和管理工作，如美國放射學院(AmericanCollege of Radiology，ACR)提出了測試標準器(體模)設計，制訂了一系列磁共振日測試、月測試和年測試的流程、方法和標準。美國醫(yī)學物理師學會(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)也針對MRI發(fā)布了系列測試報告[3-5]。我國質量檢測和標準制定部門于20世紀末，制定和發(fā)布了相關MRI的QA/QC標準和規(guī)范[7-8]。 MRI的QA/QC工作實施，需要專業(yè)人力和時間的投入[9]。然而，由于部分機構技師和醫(yī)學物理師人力的缺乏，不能保證足夠的人員來處理和分析來自各種復雜測試標準器的圖像數據。基于此，本研究設計開發(fā)一種基于軟件平臺，自動進行體模掃描、圖像質量檢測和計算，并在線給出縱向和橫向質量控制評估報告的磁共振成像檢測和控制系統(tǒng)。

1 材料與方法

1.1 系統(tǒng)流程

基于自動分析和線上評估MRI的QA/QC系統(tǒng)包括客戶平臺和遠程線上平臺，客戶平臺以軟件客戶端形式安裝于醫(yī)學數字成像及通信(digital imaging and communication of medicine，DICOM)服務器，遠程線上平臺以交互形式，客戶注冊后web遠程登陸，其工作流程如圖1所示。

圖1 MRI的QA/QC系統(tǒng)流程圖

客戶平臺包括標準器選擇、標準掃描成像、圖像處理和質量控制報告輸出模塊。標準器選擇需要用戶(技師或醫(yī)學物理師)在質量控制前，對于選擇使用的質量控制標準器本系統(tǒng)中提供了3種：即對應ACR標準的ACR體模、對應AAPM標準的Magphan體模和對應國家標準的Magic Phantom體模。用戶選定體模，即確定掃描協(xié)議和QC標準，以及后續(xù)自動算法對體模的識別和計算。算法對體模逐層進行識別，在對應層面自動測量計算出分辨率、對比度、信噪比、均勻度、幾何畸變、線性度、層厚、層位置和層間隔、層偏差、定位偏差、調制傳遞函數(modulation transfer function，MTF)、對比噪聲比以及偽影共13項質量控制參數。所得到的數值根據標準自動計算并比較，給出質量控制報告。

遠程線上平臺包括線上評估報告輸出模塊，用戶Web登陸后，上傳質量控制報告。客戶平臺基于MySQL數據庫格式將質量參數上傳至遠程服務器，遠程服務器云計算質量參數后，根據客戶要求輸出縱向和橫向評估報告。

1.2 圖像處理和(或)圖像質量自動計算

系統(tǒng)的圖像處理集中在客戶平臺圖像質量自動計算部分。基于Matlab和C++語言編程實現分割、識別和測量算法，通過圖形用戶界面(graphical user interface，GUI)打包生成測試結果顯示界面，實現對掃描體模所得圖像的自動識別，并按照相應標準選定感興趣的區(qū)域、點和線；通過自動測量和帶入圖像質量參數公式計算，實現無人工干預的全自動質量控制參數計算。

(1)基于多體模、多標準的適應性界面。自動計算可以計算出分辨率、對比度等13項質 量控制參數。目前國際上無強制的QA/QC統(tǒng)一體模和標準，且不同體模和標準中，對部分MRI參數的定義、測量方法和計算公式存在差異，故系統(tǒng)設計基于多體模、多標準的適應性界面(基于ACR、Magic Phantom、Magphan、小口徑體模的選擇界面)如圖2所示。

圖2 多體模和多標準選擇界面

(2)除體模定位和掃描外的全自動流程。系統(tǒng)在技師按規(guī)定動作掃描完體模后，自動計算體模圖像的信噪比及分辨率等質量控制參數，并按照AAPM、ACR和我國國家標準給出質量控制結論。技師按照選擇體模的定位點掃描，選用對應的層厚和序列協(xié)議。將序列DICOM圖像傳入質量控制服務器。客戶平臺在用戶交互確定定位層后，按照體模類型，依次根據層厚自動選定對應的圖像參數層。如Magic Phantom體模，定位層確定后，以3 cm為間隔，依次確定溢流層、層厚和(或)間隔層、幾何畸變層、MTF層以及空間分辨率層等。測量中，軟件根據灰度投影自動測算模體影像邊緣、頂點和感興趣區(qū)(region of interest，ROI)如圖3所示。

圖3 體模定位和數據流示圖

在信噪比、幾何畸變和層厚層的ROI自動識別和自動測量中，紅色標識線為灰度計算后的輔助ROI選定區(qū)，在ROI內，自動采用藍色和綠色線進行測量，如噪聲、長度和灰度投影的半高寬，如圖4所示。

圖4 信噪比、幾何畸變和層厚層的ROI自動識別和自動測量示圖

1.3 縱向時間軸和橫向系統(tǒng)軸的評估模式

自動獲得的質量參數將按照相應標準計算參數值，并同標準比較判斷是否合格。計算結果以質量控制檢測報告表單的形式顯示，同時人機對話詢問用戶是否同意上傳。用戶確認上傳后，檢測表單和數據存入MySQL上傳，同時通過對云端的以往質量控制數據比較，在線評估，給出磁共振系統(tǒng)某個工作周期內的成像質量趨勢，以及在同類別、同型號和同區(qū)域機器中的成像質量水平。

2 結果

MRI質量保證和控制測試系統(tǒng)經過4個單位用戶半年的使用，共測試不同類型MRI系統(tǒng)50臺/次，提供質量控制報告50份，線上評估報告10份。報告按照磁共振日測試、月測試和年測試要求和相應規(guī)范，評估MRI系統(tǒng)實時質量狀態(tài)。遠程線上平臺可結合大數據縱向和橫向評估系統(tǒng)QA/QC。客戶平臺自動尋找分辨率、對比度以及信噪比等13項質量控制參數對應的測試體模層面，測量ROI并計算數值。

基于國家標準于2016年11-12月分別對某型號MRI系統(tǒng)進行了4次日測試，其單次質量控制報告表單示例見表1；4次測試的縱向質量控制報告表單示例見表2；其中信噪比參數的4次數據縱向比較如圖5所示。

圖5 縱向評估報告曲線圖

3 討論

目前，我國普遍存在臨床技師超負荷進行檢查工作的情況，缺乏必要時間分析圖像QA/QC結果以及提出糾正措施。基于這一現實，設計相應自動檢測系統(tǒng)進行磁共振自動QC，成為一種可行的替代方案。Davids等[10]提出了軟件自動計算圖像分辨率和幾何畸變分析方法，Peltonen等[11]和Fitzpatrick等[12]分別提出了磁共振線上自動QA/QC的可行方案，基于ACR體模的評價質量控制軟件等也有相關文獻發(fā)表；部分測試標準器生產企業(yè)也提供針對自己體模的收費在線質量控制服務[13-14]。上述研究和行業(yè)服務僅限于個別QA/ QC標準器(如ACR體模、Magphan體模)，并僅對應特定的測試方法和標準，無法使用諸多其他商業(yè)磁共振質量控制體模，尤其是國產體模，限制了測試標準器的多樣性和檢測標準的適用性。事實上，國內諸多團隊研發(fā)了國產MRI質量控制標準器，在具備獨立設計特點的同時還滿足國家和國際標準。邱建峰等[1]設計開發(fā)了一系列符合國家標準的具有自主知識產權的質量控制體模，并將體模和測試標準推進到小型臺式磁共振和彌散張量成像的QA/QC[15-20]。康立麗等[21]同樣開發(fā)了用于MRI驗收和常規(guī)檢測的三維多功能體模。此外，上述自動QA/QC研究更多的致力于對分辨率和對比度的自動計算，缺乏對MRI質量控制長期測試的縱向質量控制分析和不同MRI設備間的橫向比較。

表1 單次質量控制報告表單

表2 質量控制報告表單

磁共振圖像應該滿足臨床的疾病顯示和診斷要求，使用合適的體模，按照規(guī)范的計算方法獲得圖像參數，是例行的磁共振圖像質量保證常規(guī)流程，這一流程要求一定數量專業(yè)人員的投入和規(guī)范的測試分析時間投入。在我國各級醫(yī)療機構MRI工作日漸繁重，人員臨床工作和機器成像時間都超負荷的情況下，可以使用良好的QA/QC自動程序系統(tǒng)評估MRI性能，節(jié)省人力和時間，提高效率。

本研究所述的自動QA/QC可以在常規(guī)測試間隔獲得的結果與在設備驗收確定的基線值進行比較，可以在技術人員按照流程固定體模標準器-特定序列掃描獲得圖像-圖像導入DICOM QA/QC系統(tǒng)后，全自動的分析圖像參數并按照ACR、AAPM和國家標準給出質量控制報告，包括分辨率、對比度、信噪比、均勻度、幾何畸變、線性度、層厚、層位置和層間隔、層偏差、定位偏差、MTF、對比噪聲比以及偽影等13項質量控制參數。并通過與技術人員交互，線上縱向和橫向比較分析，給出MRI系統(tǒng)的線上評估報告。縱向比較包括本系統(tǒng)月測試數據比較、本系統(tǒng)年測試數據比較；橫向比較包括同類別系統(tǒng)比較、同型號系統(tǒng)比較和同區(qū)域系統(tǒng)比較。

目前的磁共振質量控制行業(yè)界，部分企業(yè)提供在線質量控制分析服務，如Magphan QA服務、cardinal health的MRI PC/Auto QA軟件服務等[13-14]。上述自動QA/QC系統(tǒng)和方法仍集中于使用單一測試體模標準器，而本研究所提出的自動QA/ QC系統(tǒng)則包含了國家標準、ACR及AAPM標準的多種不同商業(yè)體模，尤其是包括國產磁共振質量控制體模，確保了標準和測試設備不會受制于人。上述自動QA系統(tǒng)還可以通過在線交互，提供用戶MRI系統(tǒng)的長期縱向質量控制報告，為MRI年測試和更長期的質量檢測提供了數據分析平臺和云計算工具。如永磁型磁共振場強長期衰減、磁場均勻度的年度變化等。在線QA系統(tǒng)所獲得的橫向質量控制報告和相關數據，在經用戶同意后，可以用于MRI系統(tǒng)分類型、分區(qū)域的工作狀態(tài)比較分析，為宏觀了解大范圍的MRI系統(tǒng)參數變化和工作狀態(tài)提供分析數據，并可進一步演化發(fā)展成為MRI的QA/QC大數據庫。

4 結語

MRI質量保證和控制測試系統(tǒng)經過用戶半年期的使用，共測試不同類型MRI系統(tǒng)并提供了完整的質量控制和線上評估報告，報告滿足磁共振日測試、月測試和年測試要求和相應規(guī)范，滿足MRI系統(tǒng)自動QA/ QC的目的和需求。對應的國產測試標準器和軟件系統(tǒng)，已獲得專利和軟件著作權授權[17-19，22-23]。該系統(tǒng)通過對MRI系統(tǒng)自動QA/QC的應用和測試，可以為其他大型醫(yī)學成像系統(tǒng)的自動QA/QC提供樣本，有助于探索核醫(yī)學成像和放射治療等醫(yī)學影像成像設備的自動質量控制應用[24]。

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The research of MRI quality control system based on automatic calculation and online analysis/

ZHANG Chun-qing, WANG Hong, HE Yao-yao, et al//
China Medical Equipment,2017,14(9):1-5.

Objective: To explore the methods of automatic quality control of magnetic resonance imaging (MRI), and research the system of detection and control which can provide online assessment report of quality control about results of axis and landscape orientation. Methods: As the testing standards of MRI, the software system that included of client platform and remote online platform was constructed by using MATLAB and C++. The client platform used morphological algorithm, picture segmentation and pattern recognition technique to achieve automatic calculation for 13 kinds of quality control parameters of picture, such as signal-noise ratio, contrast ratio and so on, which obtained from quality control phantom of MRI. The remote online platform saved and uploaded test report through used the format of MySQL database, and it was built on the basis of online big data platform that included local machine, same model machine and the same kind of machine (monthly test and annual test). And then, the quality control report of online assessment was automatically generated after results of axis and landscape orientation was compared. Results: After the system was verified by actual quality control of 50 MRI from various area, model and category, the accuracy testing and assessment reports were obtained. And the system could implement routine automatic calculation and report generation of 13 quality control parameters, and its operation was stable and reliable. Conclusion: The software system, which was designed and applied to automatically calculate image quality and carry out assessment of quality control, can provide a reliable tool for testing stability of long and short term for quality control of MRI.

Quality control; Quality assurance; Phantom; Automatic calculation; Online analysis; Magnetic resonance imaging

Research Center of Medical Engineering Technique, Taishan Medical University, Taian 271016, China.

1672-8270(2017)09-0001-05

R445.2

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2017.09.001

張春青,女,(1971- ),博士，高級工程師。中國食品藥品檢定研究院，從事醫(yī)療器械分類和標準管理工作。研究方向：有源醫(yī)療器械安全性評價和質量控制，醫(yī)療體域網信號及管理政策。

2017-07-20

國家重點研發(fā)計劃“數字診療裝備”專項(2016YFC0103400)“醫(yī)學成像與放射治療中的質量控制體模研發(fā)”；國家重點研發(fā)計劃“數字診療裝備”專項(2016YFC0103600)“可溯源至SI單位的磁共振成像系統(tǒng)質控方法及其標準化研究”

①中國食品藥品檢定研究院 北京 100050 ④泰山醫(yī)學院信息中心 山東 泰安 271016

②泰山醫(yī)學院醫(yī)學工程技術研究中心 山東 泰安 271016 ⑤泰山醫(yī)學院信息工程學院 山東 泰安 271016

③湖北省腫瘤醫(yī)院放射科 湖北 武漢 430079

*通訊作者：jfqiu100@163.com