曹 輝，曹厚德

1 上海申康醫(yī)院發(fā)展中心資產(chǎn)監(jiān)管部，上海市，200041

2 上海靜安區(qū)中心醫(yī)院放射科，上海市，200063

MRI成像裝置通道數(shù)驗(yàn)收鑒定的研究

【作 者】曹 輝1，曹厚德2

1 上海申康醫(yī)院發(fā)展中心資產(chǎn)監(jiān)管部，上海市，200041

2 上海靜安區(qū)中心醫(yī)院放射科，上海市，200063

該文驗(yàn)證磁共振射頻系統(tǒng)實(shí)際通道數(shù)與廠商標(biāo)稱通道數(shù)的符合性及考察其對(duì)磁共振成像性能的影響。同時(shí)通過(guò)檢測(cè)通道數(shù)增加與MRI系統(tǒng)圖像噪聲水平和對(duì)成像重建速度的關(guān)系，驗(yàn)證MRI射頻系統(tǒng)接收通道數(shù)的多少與MRI信噪比、掃描時(shí)間等密切相關(guān)。

磁共振；射頻通道；線圈；模擬接收機(jī)

0 引言

當(dāng)前，磁共振成像技術(shù)（Magnetic Resonance Imaging，MRI）已成為醫(yī)學(xué)影像診斷學(xué)檢查的重要技術(shù)。其成像原理、設(shè)備結(jié)構(gòu)乃至臨床應(yīng)用均涉及數(shù)學(xué)、物理、工程技術(shù)等多學(xué)科的知識(shí)[1]，在為數(shù)眾多的相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业墓餐ο?，MRI設(shè)備性能不斷提高，應(yīng)用也日益廣泛。在MRI成像設(shè)備性能提高的諸多途徑中，MRI設(shè)備射頻系統(tǒng)通道數(shù)的增加是一個(gè)重要技術(shù)手段。MRI設(shè)備射頻系統(tǒng)通道數(shù)從8通道、16通道、24通道，目前已發(fā)展至48通道及更高。特別是陣列線圈廣泛使用后，對(duì)于系統(tǒng)通道數(shù)的要求日益提高。通道數(shù)的多少與信噪比、掃描時(shí)間及掃描范圍等密切相關(guān)。

20世紀(jì)90年代初，Roemer[2]利用容積線圈和表面線圈各自的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出陣列線圈。陣列線圈利用小線圈采集各個(gè)區(qū)域的信號(hào)，相比于大線圈，對(duì)于各個(gè)局部區(qū)域而言，線圈的靈敏度更高。在經(jīng)過(guò)線圈去耦和噪聲去相關(guān)之后，將各個(gè)小線圈采集的信號(hào)模值進(jìn)行加權(quán)求和，獲得最終的磁共振信號(hào)，信噪比顯著提高。一般而言，覆蓋同樣面積區(qū)域的線圈通道數(shù)越多，信噪比越高。

MRI設(shè)備成像速度慢一直是這項(xiàng)技術(shù)的最大瓶頸。以往，科學(xué)家在靜磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)、梯度場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)與切換率、以及快速成像序列這三個(gè)方面著手提高成像速度，但出于對(duì)人體安全考慮，MRI設(shè)備硬件提升受到諸多限制。多通道采集技術(shù)和并行成像技術(shù)使得采集時(shí)間可以大大縮短，多通道并行成像技術(shù)利用陣列線圈單個(gè)通道的空間敏感度差異來(lái)編碼空間信息，使得原來(lái)利用梯度來(lái)編碼空間位置的步數(shù)大大減少，甚至可以替代所有的相位編碼[3]。當(dāng)然敏感度編碼和梯度編碼相結(jié)合是現(xiàn)在并行成像的主流，主要的方法有基于K空間的SMaSH方法[4]和基于圖像域的SeNSe[5]方法。一般而言，通道數(shù)越多，能夠減少的梯度編碼步數(shù)就越多，掃描時(shí)間也就越少。

因此，射頻接收通道數(shù)的多少與MRI系統(tǒng)的性能密切相關(guān)。因此，MRI系統(tǒng)通道數(shù)的檢測(cè)成為MRI設(shè)備驗(yàn)收的重要環(huán)節(jié)。

1 MRI系統(tǒng)射頻接收鏈路與通道數(shù)的關(guān)系

射頻接收鏈路是MRI系統(tǒng)中極為重要的組成部分，關(guān)乎磁共振成像的信噪比的高低，也是多通道的具體體現(xiàn)。從人體被激發(fā)出MRI信號(hào)開(kāi)始，到最終形成圖像，需要經(jīng)過(guò)多級(jí)鏈路。

人體產(chǎn)生的MRI信號(hào)是射頻信號(hào)，頻率與所處的磁場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)。射頻信號(hào)首先被多通道線圈的各個(gè)通道接收到，因?yàn)樽兓拇艌?chǎng)在調(diào)諧的線圈中感生出電壓[6]。感生出的射頻信號(hào)幅值極其微小，在傳輸過(guò)程中很容易受到外來(lái)干擾以及長(zhǎng)線纜的衰減。因此在將其傳輸出掃描間之前，需要通過(guò)低噪聲前置放大器放大。放大后的各個(gè)通道的射頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)接收通道選擇單元，分配給不同的長(zhǎng)線纜，傳輸出掃描間。

多路射頻信號(hào)被同時(shí)引入到設(shè)備間模擬接收機(jī)的各個(gè)通道上，模擬接收機(jī)中的aDc單元再將射頻模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。處理得到的數(shù)字信號(hào)再經(jīng)過(guò)高速光纖傳遞給數(shù)字接收機(jī)，經(jīng)過(guò)數(shù)字接收機(jī)對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行處理之后，就得到各個(gè)通道的磁共振原始數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到圖像重建計(jì)算機(jī)中。圖像重建計(jì)算機(jī)將會(huì)利用這多個(gè)通道的數(shù)據(jù)，利用重建算法及相關(guān)處理，得到最終的磁共振圖像。

圖1 典型的磁共振系統(tǒng)射頻接收鏈路示意圖Fig.1 Typical magnetic resonance system RF receiving link diagram

上述鏈路中，從多通道接收線圈到最終產(chǎn)生MRI圖像，想查驗(yàn)系統(tǒng)能夠達(dá)到的最大通道數(shù)，有許多方法可以實(shí)現(xiàn)。受MRI生產(chǎn)廠商開(kāi)放權(quán)限限制，許多可檢測(cè)設(shè)備通道數(shù)的方法受限，現(xiàn)有條件下，可從兩方面校驗(yàn)通道數(shù)：一是通過(guò)分通道存儲(chǔ)圖像來(lái)查看實(shí)際使用的通道數(shù)；二是查看位于設(shè)備間電子機(jī)柜中的模擬接收機(jī)，因?yàn)闄C(jī)柜一般允許查看。而將兩種方法結(jié)合，則查驗(yàn)MRI通道數(shù)更為有效。

此外，MRI通道數(shù)的多少，并不僅僅體現(xiàn)數(shù)字的多少，背后往往代表著對(duì)MRI系統(tǒng)整體軟硬件提升提出更高的要求。如對(duì)于多通道成像MRI系統(tǒng)，各通道的噪聲水平及應(yīng)用多通道重建圖像的速度也是值得測(cè)試的指標(biāo)。

2 MRI通道數(shù)的檢測(cè)

2.1 通過(guò)分通道成像檢測(cè)通道數(shù)

通過(guò)圖像的方式來(lái)驗(yàn)收通道數(shù)是一種簡(jiǎn)單直觀的方式，使用的是MRI系統(tǒng)本身能夠提供分通道存儲(chǔ)功能。實(shí)驗(yàn)采用上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司的型號(hào)為uMR 560的1.5 T超導(dǎo)磁共振系統(tǒng)，配置為24獨(dú)立射頻接收通道。檢測(cè)步驟如下：

(1) 采用兩個(gè)已知6通道的體線圈（Body array coil，Bac）與24通道的脊柱線圈（Spine array coil，SPc）的前12個(gè)通道，與能產(chǎn)生MRI信號(hào)的水模組合，制成可獨(dú)立接收24個(gè)射頻信號(hào)的測(cè)試裝置，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 24通道測(cè)試裝置Fig.2 24 channels testing device

(2) 將測(cè)試裝置擺放于掃描床，使用激光燈定位到水模中心，送入磁場(chǎng)，在軟件界面上選擇分通道存儲(chǔ)功能，見(jiàn)圖3。

低頻重復(fù)經(jīng)顱磁刺激輔助藥物治療老年腦梗死后焦慮抑郁患者的效果……………………… 平萍 巴春賀 張鴻霞 等（1）55

圖3 通道獨(dú)立存儲(chǔ)選擇界面Fig.3 channel independent storage selection interface

(3) 在界面上選擇兩個(gè)體線圈及脊柱線圈的前四段作為射頻信號(hào)接收部分，這里一個(gè)單元包含三個(gè)通道，選擇3×8共24個(gè)通道，見(jiàn)圖4。進(jìn)行序列掃描，并將結(jié)果在視窗中展現(xiàn)出來(lái)，見(jiàn)圖5。

查看24個(gè)通道，在同一窗寬窗位下，如果信號(hào)的亮度水平?jīng)]有太大變化，那么可以認(rèn)為標(biāo)稱的通道數(shù)是正確的。同時(shí)，由于各個(gè)線圈接收單元的空間位置差異，可以看到在分通道存儲(chǔ)的水模圖像上看到亮度和SNR的變化。

作為對(duì)比，圖6是某德國(guó)廠商生產(chǎn)的MRI系統(tǒng)的16通道的獨(dú)立通道存儲(chǔ)的圖像。

圖4 線圈單元選擇界面Fig.4 coil unit selection interface

圖5 通道獨(dú)立存儲(chǔ)的磁共振圖像Fig.5 Magnetic resonance imaging of channel storage

圖6 某德國(guó)廠商的16通道獨(dú)立存儲(chǔ)的磁共振圖像Fig.6 a German manufacturer of 16 channel independent storage magnetic resonance imaging

2.2 通過(guò)模擬接收機(jī)驗(yàn)收通道數(shù)

根據(jù)前文的描述，模擬接收機(jī)是將多個(gè)通道的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的器件，如果要保證同時(shí)采集多個(gè)通道的數(shù)據(jù)，那么模擬接收機(jī)的最大通道數(shù)和系統(tǒng)標(biāo)稱的最大通道數(shù)是相等的。因此可以簡(jiǎn)單地打開(kāi)電子機(jī)柜的門(mén)，查看模擬接收機(jī)的通道數(shù)，見(jiàn)圖7。

圖7 模擬接收機(jī)的通道數(shù)Fig.7 Simulation of the receiver channel number

從圖7可見(jiàn)，模擬接收機(jī)共有三塊，每塊8個(gè)通道，共有24個(gè)接收通道，與廠家標(biāo)稱的24接收通道相符。

實(shí)際檢測(cè)時(shí)，可將上述兩種方法結(jié)合，將模擬接收機(jī)的信號(hào)線，隨意拔掉幾根，進(jìn)行通道獨(dú)立存儲(chǔ)掃描。分通道查看受影響的通道數(shù)與拔掉信號(hào)線的個(gè)數(shù)是否相等，進(jìn)一步確認(rèn)這些接收通道是真正被使用到的。如圖8，拔掉3根信號(hào)線后，系統(tǒng)掃描共顯示24幅圖，其中有3個(gè)通道沒(méi)有采集到信號(hào)，與被拔掉的通道數(shù)相符。

圖8 拔掉三根信號(hào)線后通道獨(dú)立存儲(chǔ)的磁共振圖像Fig.8 Unplug after three root signal channel independent storage magnetic resonance imaging

通常，如設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定，拔除模擬信號(hào)輸入電纜不會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障，此法也常用于排查系統(tǒng)故障。

圖9 某德國(guó)廠商機(jī)器拔掉兩根信號(hào)線后通道獨(dú)立存儲(chǔ)的MRI圖像Fig.9 a German manufacturer machine unplug after two signal channels independent storage of MRI images

作為對(duì)比，圖9是在某德國(guó)廠商生產(chǎn)的MRI系統(tǒng)的模擬接收機(jī)上拔掉兩根信號(hào)線，所得的16獨(dú)立通道存儲(chǔ)圖。

2.3 通過(guò)噪聲水平檢測(cè)通道數(shù)

如前文所說(shuō)，通道數(shù)的增加不僅僅體現(xiàn)在數(shù)字上。通道數(shù)增加的同時(shí)，保證這些通道的噪聲水平一致，是保證MRI圖像清晰的重要條件之一。通道噪聲水平的大小會(huì)受接收線圈本身影響，不同線圈的噪聲水平會(huì)有不同。檢測(cè)時(shí)，可請(qǐng)廠商工程師協(xié)助，確定不同線圈對(duì)應(yīng)模擬接收機(jī)的通道，如果沒(méi)有覆蓋所有通道的線圈，則可采用通道數(shù)較多的線圈，分別檢測(cè)。

目前應(yīng)用的MRI系統(tǒng)，頭頸聯(lián)合線圈（Head & Neck coil, HNc）和脊柱線圈通道數(shù)較多。而且因?yàn)榇嬖贖Nc線圈和脊柱線圈聯(lián)合使用的情況，故它們使用的模擬接收機(jī)通道也不同?？捎眠@兩個(gè)線圈分別檢測(cè)通道噪聲水平。

以頭頸聯(lián)合線圈為例：該線圈共有16個(gè)通道，使用MRI系統(tǒng)中掃描噪聲的序列進(jìn)行掃描（不發(fā)射射頻脈沖，只采集信號(hào)）。檢測(cè)中，如前同樣勾選通道獨(dú)立存儲(chǔ)模式，掃描結(jié)束后，查看采集的各通道噪聲圖像，并使用工具讀取感興趣區(qū)域的最大、最小值、均值和標(biāo)準(zhǔn)差（SD）值，比較各個(gè)通道之間的差別，查看是否有明顯差異，見(jiàn)圖10。

圖10 通道噪聲水平檢測(cè)Fig.10 channel noise level detection

2.4 通過(guò)圖像重建速度檢測(cè)通道數(shù)

MRI系統(tǒng)多通道成像的目的之一，是為了減少掃描時(shí)間。但隨著通道數(shù)的增加，系統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理的數(shù)據(jù)也隨之增加，這對(duì)于重建計(jì)算機(jī)以及重建算法都是不小的考驗(yàn)。

檢測(cè)時(shí)，使用3D成像序列檢測(cè)系統(tǒng)重建速度，選擇并行采集，使用一些常規(guī)的后處理功能，如圖像濾波。再按照用滿所有通道數(shù)的方式擺放線圈，也可選擇使用前文制作的24通道測(cè)試裝置，或其他線圈組合。先使用標(biāo)稱通道數(shù)的一半通道成像，計(jì)算3D序列掃描完到所有層面的數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)出來(lái)的時(shí)間t1。然后使用標(biāo)稱通道數(shù)進(jìn)行成像，按照同樣的方法計(jì)算圖像重建時(shí)間t2，如果t2 = 2×t1，說(shuō)明通道數(shù)的增大，并沒(méi)有影響系統(tǒng)重建速度，如果不是，說(shuō)明通道數(shù)增加后，系統(tǒng)重建性能降低。

此外，還可修改序列參數(shù)，如增加層數(shù)和層面矩陣大小，觀察滿通道使用下，是否出現(xiàn)內(nèi)存耗盡等問(wèn)題。

3 討論

本文針對(duì)MRI系統(tǒng)通道數(shù)的驗(yàn)收和鑒定，從通道數(shù)與性能的關(guān)系，到常規(guī)射頻接收鏈路的構(gòu)成出發(fā)，總結(jié)出兩種驗(yàn)收通道數(shù)的方法。

方法之一為使用標(biāo)稱最大通道數(shù)的線圈組合，通過(guò)成像軟件的通道獨(dú)立存儲(chǔ)的功能，將各個(gè)通道采集到的MRI信號(hào)，分別重建出MRI圖像，然后查看各個(gè)通道圖像的信號(hào)水平，確定使用的通道數(shù)與標(biāo)稱相符。

方法之二為直接查看MRI系統(tǒng)設(shè)備間電子機(jī)柜中模擬接收機(jī)的通道數(shù)，觀察是否與標(biāo)稱的最大通道數(shù)相符。還可進(jìn)一步在前一種方法的基礎(chǔ)上，拔掉某些通道線纜，重新進(jìn)行掃描成像，查看沒(méi)有信號(hào)的通道數(shù)是否與拔掉的線纜數(shù)相符。

鑒于通道數(shù)的增加會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)更大的壓力，因此在驗(yàn)收通道數(shù)的同時(shí)，必須對(duì)各通道的噪聲水平進(jìn)行監(jiān)測(cè)、也需要對(duì)重建速度等進(jìn)行測(cè)試，以確保通道數(shù)的增加沒(méi)有造成MRI整體性能的下降。

綜上，本文描述的驗(yàn)收鑒定方法只針對(duì)目前在用大部分的MRI系統(tǒng)。對(duì)部分采用特殊技術(shù)的MRI系統(tǒng)，如在接收線圈中直接進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號(hào)通過(guò)光纖傳出掃描間的，這種設(shè)計(jì)仍可采用通道獨(dú)立存儲(chǔ)的方式進(jìn)行驗(yàn)收鑒定，但通過(guò)模擬接收機(jī)檢測(cè)的方法則不再適用。

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MRI Imaging Device Channel Number Acceptance Appraisal Research

【 Writers 】CAO Hui1, CAO Houde2
1 Assets Supervision & Administration Department, Shanghai Shenkang Hospital Development Center, Shanghai, 200041
2 Department of Radiology, Jing’an District Center Hospital, Shanghai, 200050

MRI, RF channel, coil, analog receiver

R318.6；TH77

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.03.017

1671-7104(2016)03-0217-04

2016-04-21

曹輝，e-mail：13311700452@163.com

【 Abstract 】This paper verifes MRI RF system conformity of the actual channel number and the manufacturer's nominal channel number, and inspects the actual channel number’s effect on the properties of magnetic resonance imaging (MRI). At the same time through detecting the increasing channel number’s relationship with MRI detection system image noise level and the image reconstruction speed, to verify the number of MRI RF system receiver is closely related with SNR, MRI scan time and so on.