應用不同體模標準測試MRI圖像均勻性的比較研究

張 默 齊志剛 趙 澄 盧 潔* 劉 迪

當前，磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)系統的診斷能力等特點，已被各級醫療機構廣泛應用[1]。隨著MRI技術的快速發展，各種高場強及超高場強的MRI設備在全國普及應用，成為臨床不可或缺的影像檢查手段。然而，MRI系統組成復雜，結構精密，而影響MRI儀最終圖像質量的因素多種多樣，各級醫療機構在設備維護、保養及圖像校正方面水平參差不齊，導致最終所得的MRI影像質量存在差異，進而導致影響病情診斷，重則可能導致醫療事故。因此，對MRI設備進行準確的圖像質量控制就顯得尤為必要。

在對MRI設備進行質量控制檢測的過程中，依靠信噪比、偽影、層厚、幾何精度、圖像均勻度及低對比分辨率等性能參數的檢測完成對MRI掃描儀的評價，圖像均勻度是其中非常重要的參數之一，是指被成像的物體MRI信號相同時，MRI掃描儀產生常量信號的能力，描述了MRI掃描儀對體模中，包含同一種物質的區域的再現能力[2]。圖像均勻度影響因素包括射頻場的均勻性、射頻線圈的工藝、梯度脈沖的校準度、穿透效應以及渦流效應等[3]。

本研究將使用兩種不同的體模和相應的測試標準分別對高場磁共振掃描儀進行圖像均勻度的測試，并對測試結果進行分析，評價兩種不同體模和其相應測試標準的差異，以期在對MRI圖像進行質量控制中選擇體模提供參考，提高檢測的準確性和科學性。

1 材料與方法

1.1 設備與材料

使用的兩種體模分別為Magphan SMR 170型體模(美國the Phantom Laboratory公司)；美國放射學會(American College of Radiology，ACR)MRI體模。檢測設備為UMR 770型3.0T超導磁共振掃描儀(上海聯影醫療科技有限公司)；UMR 560型1.5T超導磁共振掃描儀(上海聯影醫療科技有限公司)；掃描使用正交頭部線圈。

1.2 掃描參數

掃描序列采用自旋回波(spin echo，SE)成像脈沖序列，檢測參數:重復時間(repetition time，TR)為500 ms；回波時間(echo time，TE)為20 ms；視野(field of view，FOW)為256 mm×256 mm；圖像矩陣256×256；激勵次數為3.0T掃描儀1次，1.5T掃描儀2次；掃描層厚為5 mm；接收帶寬為200 Hz/pixel[4]。環境溫度20～22 ℃，相對濕度50%～60%，大氣壓力86.0～106.0 kPa，電源電壓為(380±10)V。

1.3 檢測方法

(1)掃描前準備。由于在存放和運輸過程中，體模內部會析出少量氣泡附著于插片上，在掃描前，應盡可能排除氣泡以排除對掃描層面的干擾，減少測量誤差。

(2)定位操作。將體模穩定至于頭部線圈底座，通過水平尺調整體模至水平。通過激光定位于體模中心，體模長軸與磁體掃描孔平行后，送至磁體中心。因搬運導致的體模內液體流動會影響掃描結果，開始掃描前應靜置5 min。

1.4 體模掃描

(1)SMR170型體模的掃描。SMR170型體模掃描層數為4層，層間隔為400%。圖像均勻性的測量使用第2層圖像，在第二層橫斷位中的正方形內部作9個面積均約為200 mm2的感興趣區域(region of interest，ROI)，并對所有ROI信號強度(S)進行登記，選擇S最大值(Smax)和S最小值(Smin)，圖像均勻度(UΣ)計算為公式1[5]:

式中Smax表示ROI信號強度的最大值，Smin表示ROI信號強度的最小值。SMR170型體模掃描定位見圖1，圖像均勻性測試見圖2。

圖1 SMR170體模定位示圖

圖2 SMR170 體模圖像均勻性測試示圖

(2)ACR體模的掃描。ACR體模掃描層數為11層，層間隔為100%。掃描可得11層圖像，圖像均勻性的測量使用第7層橫斷位圖像。在ACR的標準中，均勻度可以采用兩種方法檢測，分別為調值法和最值法[6]。采用調值法進行測量其步驟為:①顯示第7層圖像，以體模中心為圓心，繪制面積約為200 cm2的圓形ROI作為測量區域；②調節圖像窗寬至0或1，之后調節窗位至圖像為高信號所代表的全白；③緩慢升高窗位，至測試區域內出現一定范圍的黑色像素區域，即為低信號區域，若測試區域內有多個低信號區域，則以面積較大的范圍做為測量目標；④在低信號區域繪制面積約1 cm2的圓形ROI，記錄其灰度值的均值作為測量的低信號值，在低信號區域內挪動ROI，共記錄5個低信號值；⑤升高窗位，直至白色像素區域趨近消失，繪制面積約1 cm2的圓形ROI，記錄其灰度值的均值作為測量的高信號值，在高信號區域內挪動ROI，共記錄5個高信號值；⑥將所得最低信號值Smin和Smax帶入公式(1)得到圖像均勻度[7]。

ACR體模掃描定位見圖3，圖像均勻性測試見圖4。

2 結果

2.1 兩種體模對UMR 560型1.5T MR掃描儀測量結果

(1)通過SMR170和ACR兩種體模對UMR560型1.5T磁共振掃描儀進行圖像均勻度測量，測量數值見表1。

表1 兩種體模對UMR 560型1.5T磁共振掃描儀測量圖像均勻度(%)

表2 兩種體模對UMR 770型3.0T磁共振掃描儀測量圖像均勻度(%)

圖3 ACR體模定位示圖

圖4 ACR體模圖像均勻度測試示圖

(2)將所得信號值分別帶入公式(1)計算，使用SMR170和ACR體模對UMR 560型1.5T磁共振掃描儀測量的MRI圖像均勻度分別為98.84%和96.68%。

2.2 兩種體模對UMR 760型3.0T MR掃描儀測量結果

(1)通過SMR170和ACR兩種體模對UMR770型3.0T磁共振掃描儀進行圖像均勻度測量，其測量數值見表2。

(2)將所得信號值分別帶入公式(1)計算，使用SMR170和ACR體模對UMR 770型3.0T磁共振掃描儀測量的MRI圖像均勻度分別為95.75%和83.00%。

3 討論

目前，對MRI設備的圖像質量控制和管理體系基本源自美國，我國各級醫院及管理機構雖已開展對MRI設備的監管，但主要著眼于設備出場安裝，在使用過程中的圖像質量控制和管理體系尚未完善，部分醫療機構仍存在忽視MRI圖像質量控制的現象，對設備的狀態和保養維護只停留于出現較為明顯的偽影或設備停機后聯系廠商維修的階段。

臨床中MRI圖像質量控制的首要環節是建立一套規范完整，且應具有較高準確性的體模測試標準。在針對磁共振設備成像質量的評估及測試過程中，圖像均勻度是一項非常重要的系統參數，是指當被成像的物體具有均勻的MR特性時，MRI系統在掃描整個體積過程中產生常量信號響應的能力，描述了MRI對體模內同一物質區域的再現能力[7]。圖像均勻度計算公式其最大值為1，表明圖像均勻度好，最小值為0，表明圖像均勻度很差[8]。能夠影響圖像均勻度的主要因素包括靜磁場均勻度、射頻線圈品質與射頻場性能、渦流效應以及梯度脈沖和穿透效應[9]。靜磁場(B0場)，其均勻度主要取決于磁共振設備硬件安裝及后期修正，影響均勻度的原理是改變了不同位置原子核的共振頻率。射頻場(B1場)，由射頻線圈發出，射頻場的幅值變化會導致不同時刻的共振信號差異，從而導致圖像不均勻。渦流產生的瞬時磁場方向與梯度場方向相反，如果渦流補償不足，會產生各種偽影，影響均勻度并使信噪比降低。如果梯度脈沖校準不好，會影響層面的選擇和頻率方向編碼與相位方向的編碼，使得圖像出現偽影，影響均勻度[10]。測試所用接受線圈的質量和其他射頻系統的問題也會導致均勻度的改變。不符合均勻度標準的圖像表明射頻系統信號的變化超過正常信號變化范圍，必須及時對設備硬件進行排查和校正調試。

在對比SMR170及ACR兩種體模的圖像均勻度的測試方法時可以發現，兩種檢測方法都是使用相同參數的磁共振序列，在模體的特定層面中進行掃描，在所獲得的圖像中進行多次采樣，并計算樣本的圖像均勻度均值。所不同點在于:①SMR170體模的均勻度檢測范圍為模體第2層掃描層面中心的10 cm×10 cm方形區域，在此區域內部進行采樣；ACR水模的檢測范圍是在模體第7層內的中心繪制一個200 cm2的圓形ROI；②SMR170體模的采樣點為9個面積均約為200 mm2的ROI，一般采樣時，為盡量覆蓋檢測范圍，做3×3的均勻分布；ACR體模采用的方法是調幅法，在圓形ROI內，分別選取信號最高和最低的區域各進行5次采樣。從檢測方法而言，ACR體模所檢測的層面面積為SMR170體模的兩倍，采樣數量更多，采樣位置則選擇極值區域(5個極大值和5個極小值)而非均勻分布。掃描及測量所得的結果顯示，在通過目測觀察掃描圖像，圖像均勻度較高時，兩種檢測方式的結果都比較理想；當模體邊緣出現小范圍異常的低信號區域時，SMR170體模的檢測區域未受影響，測量結果仍較高，而ACR體模的檢測范圍覆蓋了部分低信號區域，對結果產生了較大影響。由此可見，掃描測量范圍和采樣方式的變化，使ACR體模對更大范圍內圖像內異常的不均勻信號更加敏感[11]。

目前，隨著臨床MRI掃描儀場強的不斷升高及梯度線圈性能的不斷發展，基于全腦體素分析的功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)和結構磁共振成像(structure magnetic resonance imaging，sMRI)等新技術已經廣泛的在臨床使用的超高場強磁共振儀器上開展開來，而這些技術多基于對磁場均勻性較為敏感的回波平面成像(echo planar imaging，EPI)序列構成。在實際掃描過程中，磁共振設備的圖像均勻度出現偏差，將嚴重影響fMRI、sMRI等全腦分析的數據處理結果，導致得出與真實情況相差較大甚至相反的處理結果。由此，也對磁共振掃描儀的圖像均勻度提出了更高的要求，在設備圖像質量控制的過程中，所使用的體模也需能夠準確地反應設備的真實狀況。ACR體模的圖像均勻度檢測方法較sMR170體模視野范圍更大，采樣數量更多，對設備均勻度的改變更加敏感，更適合應用于磁共振高級功能應用上的圖像均勻度的質量控制使用。