張一馳，樊偉，陳自謙，倪萍

1. 南京軍區(qū)福州總醫(yī)院 a. 醫(yī)學(xué)工程科，福建 福州350025；b.醫(yī)學(xué)影像科，福建福州350025；2. 解放軍73026部隊52分隊，浙江 嘉興 314000；3. 南京軍區(qū)聯(lián)勤部衛(wèi)生部，江蘇 南京 210002

SPM技術(shù)在磁共振系統(tǒng)時間穩(wěn)定性方面的應(yīng)用探討

張一馳1a,2，樊偉3，陳自謙1b，倪萍1a

1. 南京軍區(qū)福州總醫(yī)院 a. 醫(yī)學(xué)工程科，福建 福州350025；b.醫(yī)學(xué)影像科，福建福州350025；2. 解放軍73026部隊52分隊，浙江 嘉興 314000；3. 南京軍區(qū)聯(lián)勤部衛(wèi)生部，江蘇 南京 210002

目的 評價磁共振系統(tǒng)的時間穩(wěn)定性，提高臨床和科研工作結(jié)果的可靠性。方法 結(jié)合已有的評價方法對磁共振系統(tǒng)進(jìn)行時間穩(wěn)定性評價，探討SPM在評價時間穩(wěn)定性方面的應(yīng)用。結(jié)果 得到了系統(tǒng)各軸向的具體偏移信息，分析評價該結(jié)果對時間穩(wěn)定性的影響。結(jié)論 本實驗獲取了各軸向的偏移量和旋轉(zhuǎn)量，更為詳細(xì)地顯示系統(tǒng)的穩(wěn)定性情況，可以用于指導(dǎo)臨床和科研工作。

SPM；磁共振成像；頭動校正；時間穩(wěn)定性

0 前言

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是隨著計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)及低溫超導(dǎo)技術(shù)迅速發(fā)展起來的醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)，目前已經(jīng)成為醫(yī)院最常用影像診斷手段之一[1]。此外，功能磁共振成像（Functional MRI，fMRI）憑借其快速、無損、分辨率高的優(yōu)勢，現(xiàn)在也已經(jīng)廣泛使用于神經(jīng)科學(xué)和腦功能研究方面。然而，在使用磁共振設(shè)備進(jìn)行腦功能成像時，腦激活區(qū)引起的信號變化量極小，容易被噪聲等因素干擾甚至淹沒，這就要求磁共振設(shè)備除了滿足常規(guī)質(zhì)量保證要求外，還應(yīng)該滿足穩(wěn)定性方面的要求[2]。目前，對于磁共振系統(tǒng)時間穩(wěn)定性的評價與研究已經(jīng)有相應(yīng)的進(jìn)展，但是評價方法和指標(biāo)相對單一，所以建立一種更為全面的評價方法具有很大意義。本文介紹一種利用統(tǒng)計參數(shù)圖（Statistical Parametric Mapping，SPM）技術(shù)對磁共振時間穩(wěn)定性進(jìn)行評價的方法。

1 材料與方法

1.1 實驗設(shè)備和材料

采用SIEMENS MAGNETOM Trio TIM 3T超導(dǎo)磁共振儀，掃描線圈為Siemens 12通道頭線圈，實驗體模采用SIEMENS磁共振常規(guī)水模 。

數(shù)據(jù)分析采用SIEMENS SYNGO工作站上的Mean Curve軟件以及個人電腦上MATLAB軟件中的SPM軟件包。

注：SPM是專門為腦功能成像數(shù)據(jù)分析而設(shè)計的一個通用軟件包，由英國K.Friston等學(xué)者在MATLAB平臺上研發(fā)的軟件。由于其處理結(jié)果可重復(fù)性好，并且不受分析人員的主觀影響，憑借這些優(yōu)勢，SPM已經(jīng)成為腦功能成像處理分析的首選軟件之一[3]。

1.2 實驗方法

1.2.1 掃描序列及成像參數(shù)

采用靜息態(tài)fMRI功能磁共振掃描序列，利用基于梯度回波（gradient echo, GRE）序列的單次激發(fā)回波平面成像（echo planar imaging, EPI）技術(shù)，掃描方位平行于前后聯(lián)合。

掃描參數(shù)如下：TR=2000 ms，TE=30 ms，F(xiàn)OV=20 cm，層數(shù)=15層，層厚=5 mm，層間隔=5 mm，矩陣為256×256，重復(fù)時相（phase）=240次，掃描時間=488s。

1.2.2 利用SPM8對掃描圖像進(jìn)行處理

運行SPM8，點擊fMRI按鈕，進(jìn)入SPM功能磁共振預(yù)處理面板，見圖1

處理前首先要將掃描得到的DICOM圖像轉(zhuǎn)換成SPM解析格式，點擊下方的“DICOM Import”轉(zhuǎn)換得到HDR文件和光盤映像文件，然后就可以利用SPM軟件進(jìn)行預(yù)處理操作。

由于實驗圖像各層是連續(xù)獲取的，因此不需要進(jìn)行時間校正，可直接進(jìn)行頭動校正處理。在上方的校準(zhǔn)選項中選擇“Realin(Est&Res”，進(jìn)入頭動校正，進(jìn)行如下設(shè)置：

選中“data”,選擇“NewSession”，然后選中data下出現(xiàn)的“Session”選項。點擊“Slect Files”，用文件選擇器選擇剛轉(zhuǎn)化完的圖像，其余選項采用默認(rèn)設(shè)置，點擊上方綠色的三角開始運行。頭動校正處理面板，見圖2

1.2.3 利用新溝通Mean Curve軟件進(jìn)行穩(wěn)定性測量

Mean Curve處理的ROI選取位置，見圖3

中間的Signal ROI即為選取的區(qū)域，面積直徑＜200 cm，其值即為各圖像信號的ROI值img[i]。

用Mean Curve軟件計算信號穩(wěn)定性的公式：

(1)式中diff表示每幅圖像ROI信號相對于參考圖象的差異，img[i]為第i幅圖像信號ROI值，img_ref為參考圖象信號ROI值，本次實驗選取第10幅圖像為參考圖像。

(2)式中stability為穩(wěn)定性。

2 結(jié)果

2.1 SPM的處理結(jié)果

經(jīng)處理，可以得到平移變化參數(shù)圖（圖4）和旋轉(zhuǎn)變化參數(shù)圖（圖5），以及具體的各軸向的平移變化量和旋轉(zhuǎn)變化量（以.txt格式文件保存）。

結(jié)合圖表和具體實驗數(shù)據(jù)分析可知，此次實驗中最大可得到的各軸最大平移量和最大旋轉(zhuǎn)度數(shù)見表1。

2.2 Mean Curve的處理結(jié)果處理結(jié)果見圖6。

從圖6數(shù)據(jù)可得，max[diff]為0.1%，min[diff]為-0.5%，計算得到stability為0.6%。

3 討論

SPM的主要目的和方法是對一個被試或多個被試的不同成像結(jié)果作比較，得出具有統(tǒng)計學(xué)意義的結(jié)果，其主要預(yù)處理步驟有：① 層面時間校正（Slice Timing）；② 頭動校正（Realignment）；③ 空間標(biāo)準(zhǔn)化（Normalization）；④ 平滑（Smoothing）[4-6]。其中，頭動校正是功能磁共振圖像預(yù)處理的一個重要步驟，其效果直接關(guān)系到結(jié)果的可靠性。

3.1 頭動校正處理的意義和原理

由于功能磁共振實驗掃描的次數(shù)較多，而且每次掃描通常都要半小時以上，即使對被試者做了很好的頭部固定，由于呼吸、血流脈動等生理因素產(chǎn)生頭部運動仍然不可避免，因此需要采取適當(dāng)?shù)霓k法來消除它的影響。簡單的說，頭動校正處理就是將圖像序列中各個圖像對齊到某一個參考圖像，通過對齊和校準(zhǔn)處理，使數(shù)據(jù)精確對準(zhǔn)，具備可比性[7-8]。

在頭部掃描過程中，頭部的運動通常被看作是剛體運動，它由平移運動和旋轉(zhuǎn)運動構(gòu)成。在對兩組圖像進(jìn)行頭動校正匹配時，需要考慮剛體在平移方向和旋轉(zhuǎn)方向六個軸的偏移量，進(jìn)而算得校正參數(shù)。定義剛體變化向量為q(q1, q2 ,q3, q4, q5, q6)，其中q1、 q2、q3表示頭部在沿x,y,z三軸的平移量大小，q4、 q5、q6表示頭部繞pitch、roll、yaw三軸的旋轉(zhuǎn)角度大小。定義qt(q1, q2 ,q3)為平移變化向量，qr(q4, q5 ,q6)為旋轉(zhuǎn)變化向量。

頭動校正有兩個環(huán)節(jié)，首先是求解校正參數(shù)，得到校正參數(shù)之后生成校正后的坐標(biāo)。然后再利用插值算法對圖像進(jìn)行重新采樣，實現(xiàn)三維圖像的重切片[9-11]。以上實驗得到的結(jié)果就是剛體變化向量的值，即為校正參數(shù)。

3.2 利用頭動校正信息評估磁共振設(shè)備系統(tǒng)時間穩(wěn)定性

目前，對于磁共振設(shè)備進(jìn)行體模圖像的采集和分析是日常質(zhì)量控制的一部分，這是保證磁共振成像成像質(zhì)量與相應(yīng)功能一致的關(guān)鍵[7]。對于此類體模圖像，由于體模在掃描時應(yīng)該是靜止不動的，理論上不需要進(jìn)行頭動校正處理，但是當(dāng)我們利用SPM軟件對這些圖像進(jìn)行頭動校正處理時，仍然能夠看到很明顯的頭動校正信息。圖4和圖5這說明磁共振系統(tǒng)本身產(chǎn)生了一些干擾因素，且與系統(tǒng)的時間穩(wěn)定性相關(guān)的，因此我們可以利用這些校正信息來對系統(tǒng)時間穩(wěn)定性進(jìn)行評價。

磁共振設(shè)備的穩(wěn)定包括時間穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，都對實驗結(jié)果有著顯著的影響。通常情況下，BOLD-fMRI實驗所檢測的激活信號非常微弱，同時需要對特定部位進(jìn)行反復(fù)的采集，每一層面的時間序列多達(dá)100～200幅，所生成的圖像總數(shù)高達(dá)數(shù)千幅，因此同一序列掃描中圖像和圖像之間的穩(wěn)定性至關(guān)重要[12]。AAPM(美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)家協(xié)會)提出BOLD—fMRI掃描激活信號標(biāo)準(zhǔn)差的漲落幅度不能＞0.3%，即穩(wěn)定性的絕對值≤0.3%。從本次實驗結(jié)果可知，利用Mean Curve計算出的穩(wěn)定性為0.6%，明顯＞0.3%，顯然不滿足穩(wěn)定性的要求，所以本次實驗中該設(shè)備是不滿足功能磁共振的穩(wěn)定性要求的。然而，單純從這個數(shù)據(jù)上看，我們不能詳細(xì)了解穩(wěn)定性的情況以及它可能帶來的不利影響。因此，可以結(jié)合上面的頭動校正結(jié)果來進(jìn)行評價。

從SPM的處理結(jié)果可以看到，各軸向都存在平移和旋轉(zhuǎn)校正，在z軸方向的平移校正量達(dá)0.1040 mm，數(shù)值明顯偏大，必然會影響功能磁共振研究結(jié)果的可靠性，不建議設(shè)備在該狀態(tài)下開展功能磁共振的研究。由于本次實驗是在設(shè)備剛開機(jī)1 h內(nèi)進(jìn)行的，因此分析此次實驗中設(shè)備穩(wěn)定性不理想的原因可能是因為設(shè)備剛開機(jī)而導(dǎo)致的。

現(xiàn)在利用磁共振設(shè)備進(jìn)行腦功能研究已在各大醫(yī)院開展，然而，受限于醫(yī)院的現(xiàn)實條件，此類科學(xué)研究實驗往往都是在醫(yī)院正常工作時間之外開展,在開展此類科學(xué)研究時，磁共振設(shè)備不是處于剛開機(jī)的狀態(tài)就是已經(jīng)長時間工作達(dá)10 h以上，其系統(tǒng)的時間穩(wěn)定性可能會發(fā)生變化，甚至影響實驗結(jié)果的可靠性。因此對磁共振設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)定性評價，在穩(wěn)定性較好情況下開展功能磁共振研究是保證其結(jié)果準(zhǔn)確可靠的關(guān)鍵。

4 結(jié)語

本研究提出的利用SPM的頭動校正結(jié)果評價磁共振設(shè)備的時間穩(wěn)定性是一種簡單可行的方法，相對之前利用Mean Curve的結(jié)果評價設(shè)備穩(wěn)定性的方法更為全面具體，可以用于指導(dǎo)功能磁共振研究開展的時機(jī)。但是在評價標(biāo)準(zhǔn)的建立方面值得進(jìn)一步的探討，目前只能結(jié)合已有的評價結(jié)果來對設(shè)備進(jìn)行評價。此外，在體模選取和掃描參數(shù)的確定方面也需要優(yōu)化和提高。

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Discussion on the Time Stability about the Application of Statistical Parametric Mapping (SPM) in MRI Systems

ZHANG Yi-chi1a,2, FAN Wei3，CHEN Zi-qian1b，NI Ping1a
1.a. Department of Medical Engineering,
b. Department of Medical Imaging, Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Command, PLA, Fuzhou Fujian 350025, China; 2. Unit 52, Hospital of PLA 73026 troops, Jiaxing Zhejiang 314000 China；3. Joint Logistics Department of Nanjing Military Area Command, Nanjing Jiangsu 210002, China

Objective To evaluate the time stability of MRI systems and improve the reliability of clinical and research results. Methods Combined with the existing evaluation methods for assessment of MRI time stability, to discuss the application of SPM in evaluating time stability. Results Obtained the excursion information of each axis and roller, and analyzed the effects of the excursion on the time stability of MRI systems. Conclusion The result of the study shows the time stability of the system in detail, including translation and rotation, which can be used to guide the clinical and scientif i c research.

statistical parametric mapping; MRI; realignment; time stability

R197.39；TH789

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2014.11.005

1674-1633(2014)11-0019-03

2014-07-09

軍事醫(yī)學(xué)計量專項課題（2011-JL2-014）。

倪萍，南京軍區(qū)福州總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科主任，高級工程師，研究方向：磁共振成像質(zhì)量控制。

通訊作者郵箱：511091680@qq.com