朱高杰，李 斌，魏小二

1 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院 上海市第六人民醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程部，上海，200233

2 上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院 放射科，上海，200233

基于定量對(duì)比方法的磁共振射頻線圈的MatLAB圖形化性能研究

【作 者】朱高杰1，李 斌1，魏小二2

1 上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院 上海市第六人民醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程部，上海，200233

2 上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院 放射科，上海，200233

目的 為了驗(yàn)證磁共振成像中不同類(lèi)型射頻線圈的臨床性能，我們以表面線圈、收發(fā)兼用型鳥(niǎo)籠線圈和八通道相控陣線圈為研究對(duì)象，分別測(cè)量了這三種線圈在Philips 3.0T磁共振成像系統(tǒng)中的信噪比和圖像均勻度。材料和方法 在AAPM(美國(guó)醫(yī)學(xué)物理師學(xué)會(huì))推薦的方案測(cè)量信噪比和均勻度的基礎(chǔ)上，增加對(duì)最終圖像的MatLAB圖形化分析，分別得到其兩個(gè)互相垂直方向和整個(gè)平面上的信噪比空間分布。結(jié)果 在體模中心的感興趣區(qū)（ROI）中，收發(fā)兼用型鳥(niǎo)籠線圈和八通道相控陣線圈的信噪比分別是表面線圈信噪比的7倍和12倍以上，均勻度也都高于表面線圈的均勻度。結(jié)論：收發(fā)兼用型鳥(niǎo)籠線圈和相控陣線圈在成像效果上均優(yōu)于表面線圈；相控陣線圈能獲得最好的信噪比，而收發(fā)兼用型鳥(niǎo)籠線圈則具有最好的均勻度。

MatlAB圖形化；收發(fā)兼用線圈；相控陣線圈；表面線圈；均勻度；信噪比

在磁共振性能評(píng)價(jià)領(lǐng)域，自從AAPM(美國(guó)醫(yī)學(xué)物理師學(xué)會(huì))于1990年提出推薦方案以來(lái)[1]，大量的臨床和理論研究開(kāi)始關(guān)注這一領(lǐng)域[2-5]。AAPM方法提供了對(duì)磁共振整體性能的基本評(píng)價(jià)方法，但其測(cè)試不針對(duì)磁共振的各個(gè)組件，同時(shí)其測(cè)試結(jié)果只能用于反映整體效果而無(wú)法得到細(xì)節(jié)的性能。為了克服以上不足，本文在已有研究[6]的基礎(chǔ)上，提出采用基于定量對(duì)比的方法，分析比較表面線圈、相控陣線圈和收發(fā)兼用型鳥(niǎo)籠線圈的性能，提高了對(duì)具體細(xì)節(jié)的評(píng)價(jià)能力，同時(shí)將結(jié)果圖形化。

1 材料和方法

1.1 材料

磁共振成像設(shè)備為3.0T Intera Achiva。采用Philips標(biāo)配的圓柱形的體模，容積3000 ml。三個(gè)線圈分別為：8通道相控陣頸動(dòng)脈表面線圈，Philips收發(fā)兼用型（T/R）鳥(niǎo)籠線圈和Philips 多用途表面線圈。掃描序列采用T1權(quán)重的自旋回波T1W-SE（TR=450 ms，TE= 11 ms，F(xiàn)OV=15 cm，層厚=4 mm,層間距=1 mm，層數(shù)20.成像矩陣=256×256，采集次數(shù)NSA=2）和T2權(quán)重的快速自選回波T2W-TSE（TR=4500 ms，TE=90 ms，回波鏈數(shù)16，F(xiàn)OV=15 cm，層厚4 mm，層間距=1 mm，成像矩陣512×512），成像層面為橫軸面。

1.2 方法

1.2.1 信噪比的測(cè)量

信噪比測(cè)量常用的有兩種方法[1]、[7]，而且兩種方法所測(cè)得的結(jié)果存在一種直接的線性關(guān)系[8]。信噪比測(cè)量時(shí)，感興趣區(qū)（ROI）和背景噪聲區(qū)域的選擇如下圖1

圖1 信噪比測(cè)量時(shí)感興趣區(qū)域和背景噪聲區(qū)域的選擇ROI位于體模中心，半徑為體模半徑的90%左右；四個(gè)背景噪聲區(qū)域位于視野（FOV）的四個(gè)角上，半徑為體模半徑的10%左右Fig.1 The choice of ROI and region of noise ROI located in the center of the phantom and four regions of noise located in the four corners of the image. Radial of ROI are 90 percent of the radial of phantom, while region of notes 10 percent

考慮到操作中的簡(jiǎn)便性，本文采用單幅圖像的測(cè)試方法，即信噪比（SNR）按照下式計(jì)算：

其中，S為感興趣區(qū)的平均信號(hào)強(qiáng)度，在圖1中S即為感興趣區(qū)域的平均像素值；SD為噪聲信號(hào)強(qiáng)度，在圖1中SD即為各小圓形區(qū)域A～D的像素值標(biāo)準(zhǔn)差。本文測(cè)量的信噪比包括感興趣區(qū)域內(nèi)的信噪比以及感興趣區(qū)域前后方向（A-P）和左右方向（L-R）上的信噪比曲線。同時(shí)，將感興趣區(qū)域內(nèi)的像素值利用MatLAB軟件投影至三維，得到均勻度的三維圖形。

1.2.2 圖像均勻度的測(cè)量

均勻度的測(cè)量和計(jì)算方法采用AAPM(美國(guó)醫(yī)學(xué)物理師學(xué)會(huì))推薦的方案[1]。在與信噪比測(cè)量相同的圖像中，設(shè)置5個(gè)大小相同的圓形（半徑為體模的30%，均勻分布），分別測(cè)量其平均信號(hào)強(qiáng)度。計(jì)算公式為：

其中，U∑表示均勻度；Smax為所測(cè)5個(gè)圓形區(qū)域中信號(hào)的最大值；Smin為所測(cè)5個(gè)圓形區(qū)域中信號(hào)的最小值。

2 結(jié)果

2.1 信噪比定量計(jì)算及圖形化

磁共振掃描得到的6幅圖像（每種線圈兩幅圖像），根據(jù)上文所述的方法，實(shí)驗(yàn)測(cè)量所得到的數(shù)據(jù)如表1和表2中所示。

表1 三種線圈在T1W-SE序列作用下所得圖像的信噪比相關(guān)參數(shù)Tab.1 Parameters for SNR of three types of coil with 0.64 T1W-TSE

表2 三種線圈在T2W-TSE序列作用下所得圖像的信噪比相關(guān)參數(shù)Tab.2 Parameters for SNR of three types of coil with T2W-TSE

根據(jù)上面兩個(gè)表中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在采用T1WSE序列時(shí)，相控陣線圈和T/R鳥(niǎo)籠線圈的信噪比分別是表面線圈的12.97倍和7.93倍；在采用T2W-TSE時(shí)，相控陣線圈和T/R鳥(niǎo)籠線圈的信噪比分別是表面線圈的14.65倍和8.87倍。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩個(gè)序列所得圖像在橫向和縱向的信噪比曲線如圖2所示。

圖2 三類(lèi)線圈在兩個(gè)垂直方向上的信噪比曲線（a）T1W-SE序列作用下的左右方向（R-L）信噪比曲線；（b）T1WSE序列作用下的前后方向（A-P）信噪比曲線；（c）T2W-TSE序列作用下的左右方向（R-L）信噪比曲線；（d）T2W-TSE序列作用下的前后方向（A-P）信噪比曲線。紅線為表面線圈，綠線相控陣線圈，藍(lán)線為T(mén)/R鳥(niǎo)籠型線圈Fig.2 SNR profiles in two vertical directions of three types coils. (a)SNR profile in R-L direction with T1W-SE ;( b) SNR profile in A-P direction with T1W-SE ;( c) SNR profile in R-L direction with T2W-TSE; (d) SNR profile in A-P direction with T2W-TSE. The red, green and blue lines denote surface coils, phased array coils and T/R birdcage coils, respectively

從圖2可知，在這兩個(gè)序列成像中，在左右方向（R-L）上，相控陣線圈和T/R鳥(niǎo)籠線圈相對(duì)于表面線圈都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而相控陣線圈的信噪比整體而言高于T/R鳥(niǎo)籠線圈，但前者在圖像中心處的信噪比明顯下降，甚至?xí)陀诤笳撸辉谇昂蠓较颍ˋ-P）上，相控陣線圈和T/R鳥(niǎo)籠線圈相對(duì)于表面線圈都具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而T/R鳥(niǎo)籠線圈也明顯高于相控陣線圈，只有在圖像中心區(qū)域兩者才更為接近。

2.2 圖像均勻度定量計(jì)算

根據(jù)上文所述的測(cè)量方法，利用公式（2）測(cè)量所得圖像的結(jié)果分別為：表面線圈T1W和T2W權(quán)重圖像的均勻度分別為Ua=39.49%和UD=38.76%；相控陣線圈T1W和T2W權(quán)重圖像的均勻度分別為Uc=45.40%和Ud=41.48%；T/R鳥(niǎo)籠線圈T1W和T2W權(quán)重圖像的均勻度分別為Ue=98.98%和Uf=99.25%?？梢钥闯觯琓/R鳥(niǎo)籠線圈的圖像均勻度明顯高于表面線圈和相控陣線圈，而相控陣線圈的均勻度比表面線圈的均勻度略高。

2.3 MatLAB圖形化

將上述6幅圖像的像素值投影至三維坐標(biāo)，且用偽彩色來(lái)標(biāo)記，如下圖3所示。

圖3 6幅體模圖像的三維投影（a）表面線圈在T1W-SE序列下的體模圖像投影；(b)表面線圈在T2W-TSE序列下的體模圖像投影；(c)相控陣線圈在T1W-SE序列下的體模圖像投影；(d)相控陣線圈在T2W-TSE序列下的體模圖像投影；（e）T/R鳥(niǎo)籠線圈在T1W-SE序列下的體模圖像投影；(f)T/R鳥(niǎo)籠線圈在T2W-TSE序列下的體模圖像投影。Fig.3 Projection of the images of phantom. (a) Projection of the image with surface coil and T1W-SE; (b) Projection of the image with surface coil and T2W-TSE; (c) Projection of the image with phased array coil and T1W-SE; (d) Projection of the image with phased array and T2W-TSE; (e) Projection of the image with T/R birdcage coil and T1W-SE; (f) Projection of the image with T/R birdcage coil and T2W-TSE.

3 討論

磁共振成像臨床應(yīng)用中，常常需要在眾多不同的射頻線圈之間做出取舍，以獲得更好的成像效果，而醫(yī)學(xué)物理學(xué)界尚沒(méi)有提出針對(duì)射頻線圈的評(píng)價(jià)方案。AAPM(美國(guó)醫(yī)學(xué)物理師學(xué)會(huì))于1990年提出的磁共振質(zhì)量控制方案，以磁共振整機(jī)性能為主要目標(biāo)，因此需要進(jìn)一步采用各個(gè)射頻線圈的評(píng)價(jià)。

本文進(jìn)一步計(jì)算出了成像層面內(nèi)兩垂直方向上的信噪比曲線，對(duì)成像效果的描述更為細(xì)微，能夠準(zhǔn)確地了解各種線圈在性能上差別的具體大小。同時(shí)，還得到了成像層面內(nèi)像素值在三維的投影，能夠直觀地看出不同線圈的性能差異。

4 結(jié)論

我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在磁共振成像中，T/R鳥(niǎo)籠線圈和相控陣線圈相對(duì)于表面線圈而言，無(wú)論在信噪比還是在均勻度上面都有較大優(yōu)勢(shì)，而T/R鳥(niǎo)籠線圈和相控陣線圈則在信噪比和均勻度上各有特色。近年來(lái)，有學(xué)者提出將T/R技術(shù)應(yīng)用于相控陣線圈[9]，這樣就既能利用相控陣技術(shù)融合并行成像而加快成像速度，同時(shí)還能夠利用T/R技術(shù)得到高質(zhì)量的圖像。融合相控陣線圈的快速成像技術(shù)和T/R線圈的高質(zhì)量成像技術(shù)的新型線圈會(huì)在不久的將來(lái)問(wèn)世，進(jìn)一步提高臨床診斷的精度和速度。

[1] Price RR, Axel L, Morgan T, et al. Quality assurance methods and phantoms for magnetic resonance imaging: report of AAPM nuclear magnetic resonance task group no 1 [J]. Med Phys, 1990, 17:287-95.

[2] Firbank MJ, Harrison RM, Williams ED, et al. Quality assurance for MRI: Practical experience [J]. Br J Radiol, 2000, 73:376-383.

[3] Chen CC, Wan YL, Wai YY, et al. Quality assurance of clinical MRI scanners using ACR MRI phantom: preliminary results [J]. J Digit Imaging, 2004, 17:279-284.

[4] Colombo P, Baldassarri A, Del Corona M, et al. Multicenter trial for the set-up of a MRI quality assurance programme [J]. Magn Reson Imaging, 2004, 22:93-101.

[5] Friedman L, Glover GH. Report on a multicenter fMRI quality assurance protocol [J]. J Magn Reson Imaging, 2006, 23:827-839. [6] Bin Li, Wang Jie. The Development and evaluation of new neck coil for GE MR system [A]. Conl Pro IEEE Eng Med Biol Soc [C]. Shanghai: IEEE—EMBS, 2005.6033-6036.

[7] Kaufman L, Kramer DM, Crooks LE, et al. Measuring signal-tonoise ratios in MR imaging [J]. Radiology, 1989, 173:265-267.

[8] Firbank MJ, Coulthard A, Harrison RM, et al. A comparison of two methods for measuring the signal to noise ratio on MR images [J]. Phys Med Biol, 1999, 44(12): N261-264.

[9] Robert G. Pinkerton, Graeme C. McKinnon, Ravi S. Menon. SENSE optimization of a transceive surface coil array for MRI at 4T [J]. Magnetic Resonance in Medicine, (2006), 56:630-636.

A New Approach to Research Graphical Performance of MRI RF Coil Based on the Quantitative Comparison Method

【W(wǎng)riters】Zhu Gaojie1, Li Bin1＊, Wei Xiaoer2

1 The sixth people’s hospital aff i liated to Shanghai Jiaotong University, BME Department, Shanghai, 200233
2 The sixth people’s hospital aff i liated to Shanghai Jiaotong University, Radiology Department, Shanghai, 200233

Objective To compare the performance of three different types of RF coil in 3.0T MRI, the signal-to-noise ratio (SNR) and image uniformity in 3.0 Tesla magnetic resonance imaging system have been studied. Materials and Methods In addition to the measurement of SNR and Uniformity based on the protocol recommend by AAPM, the images had also been analyzed using SPSS and MATLAB to get the SNR distribution along two vertical direction and the whole imaging plane. Results The SNR with T/R birdcage coil and 8-ch surface coil is seven and twelve times higher than surface coil in the region of interest (ROI), which was set in the center of the phantom images. With regard to the spatial variation of sensitivity, the uniformity of T/R birdcage coil and 8-ch surface coil are also much higher than that of surface coil. Conclusion The images from T/R birdcage and phased array coils are all better than those of surface coil. The SNR of the images from phased array coil is highest while the uniformity of the images from T/R birdcage coil is highest.

Matlab Graphical, T/R coil, Phased array coil, Surface coil, Uniformity, SNR

R445.2

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2010.03.007

1671-7104(2010)03-0180-03

2010-03-23

李斌，教授，libincc@online.sh.cn