基于Matlab實現MRI信噪比及圖像均勻性自動檢測系統的研究

孟 奧 趙慶軍* 徐 桓 劉振芹 毛 巖

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是根據生物核磁性在磁場中表現的特征進行成像的新技術[1]。近年來，隨著磁體技術等相關技術的不斷發展進步，MRI技術得到了飛速發展，以對軟組織靈敏度高、定位準確、無放射性及對人體無任何損傷等優點[2]在臨床醫學中得到廣泛應用，成為現代醫學影像領域中重要的一員。因此，磁共振圖像質量直接關系到疾病的診治[3-4]。本研究基于Matlab平臺進行編寫，而Matlab是美國MathWorks公司出品的用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級計算機語言和交互環境的數學軟件，實現了將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性系統的建模和仿真等諸多強大功能集成于一個易于使用的視窗環境中。

信噪比(signal noise ratio，SNR)是指信號強度與噪聲強度的比值，是衡量圖像質量的重要指標，而圖像均勻性(image uniformity)則指MRI在掃描區內對MRI特性均勻的物質產生恒定信號響應的能力，描述了MRI系統對體模內同一物質區域的再現能力[5-6]。

1 設備與檢測方法

1.1 受檢設備

美國GE設備4臺，德國西門子設備2臺。受檢設備信息見表1。

表1 受檢設備信息

1.2 測試體模

采用美國體模實驗室Magphan SMR 170性能體?？臻g分辨率模塊。

1.3 掃描條件

在無特別要求時，采用飽和恢復自旋回波(spin echo，SE)成像脈沖序列，重復時間(repetition time，TR)為500 ms，回波時間(echo time，TE)為30 ms，矩陣為256×256，單層掃描層厚為10 mm[7]。

1.4 指標參考標準

依據國家衛生行業標準WS/T263-2006“醫用磁共振成像(MRI)設備影像質量檢測與評價規范”[8]。

2 手動測量方法

2.1 信噪比手動測量方法

國家衛生部行業標準采用了美國醫學物理學家協會(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)單幅圖像法，并制定參考標準。掃描體模均勻性層面并獲取圖像，用選定好的感興趣區域(region of interest，ROI)，在圖像中央和周圍測量信號強度和偏差。像素的信號強度由灰度值體現，因此信號強度等同于灰度平均值[9-10]。其圖像SNR計算為公式1：

式中SNR為信噪比；S為圖像中心區域的信號強度；S’為周圍環境區域的信號強度；SD為中央區域的信號標準差；信噪比的國家標準：主磁場B0≤0.5 T時，SNR≥50；0.5 T＜B0＜1.0 T時，SNR≥80；B0≥1.0 T時，SNR≥100。

2.2 圖像均勻性手動測量方法

掃描體模均勻性層面并獲取圖像。在正方形區域選擇9個ROI，分析比較各點的灰度值[11]。其圖像均勻性計算為公式2：

式中U為圖像均勻性；Smax為所測區域中信號最大值；Smin為所測區域中信號最小值；圖像均勻度的國家標準為：均勻度U≥75%。

2.3 手動測量的缺點

(1)ROI位置和大小的不同會導致信噪比及圖像均勻性的不同。

(2)ROI位置不能達到精確和一致。

(3)隨意性和主觀干預較多。

3 自動檢測系統的應用

3.1 自動檢測流程

自動檢測系統的算法流程具體步驟為：①確定掃描圖像內部是否有明顯的偽影，如有則需要舍棄圖像，重新獲取掃描圖像；②采用Matlab編寫迭代法計算合適的閾值，實現對掃描圖像二值化；③對二值化圖像執行形態閉、腐蝕等操作得到圓形區域邊緣，對邊緣進行細化，計算出圓心坐標；④根據圓心坐標確定ROI的位置，計算其均值和方差；⑤根據信噪比及圖像均勻性的公式計算得出結果，并與手動測量方法進行相關性分析；⑥將計算得到的結果顯示在自動測量系統(如圖1所示)。

圖1 自動檢測系統流程圖

3.2 自動檢測系統界面

(1)基于Matlab GUI平臺構建自動檢測系統界面。自動檢測系統界面可以顯示掃描圖像、生產廠家、視野、矩陣等信息(如圖2所示)。

圖2 自動檢測系統掃描圖像及界面圖

(2)數據處理后界面左側顯示掃描圖像、生產廠家、視野、矩陣等信息；界面右側顯示不同ROI的均值、方差及計算后的信噪比和圖像均勻性，可在界面中清楚地顯示不同ROI的位置和數據[12](如圖3所示)。

圖3 數據處理后界面圖

3.3 實驗數據分析

采用pearson系數[13]對信噪比和圖像均勻性的手動和自動檢測方法進行相關性分析，計算相關系數顯示，基于統計學的手動檢測方法和自動檢測方法具有很強的一致性(r=0.970，r=0.975；P＜0.01)。因此，自動檢測方法可用于MRI質量檢測中，且數據更加準確穩定，見表2[14]。

表2 手動檢測與自動檢測相關性分析

4 結論

MRI技術性能評價指標是評價MRI系統的重要環節，是設備有效性的考核標準，也是臨床和效果得以實現的前提。MRI信噪比和圖像均勻性自動檢測系統的研究與實踐表明，MRI應用質量控制數字化檢測方法具有可行性，可借助信息化手段高效完成MRI應用質量檢測，為設備性能的穩定性打下了堅實的基礎。該檢測方法耗時少、簡單實用，減少人為誤差，且確保實驗結果的準確性和客觀性，可極大提高大型醫療設備應用的質量控制檢測效率[15]。

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