儲呈晨,王龍辰,畢帆,李斌
上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院 醫(yī)學(xué)裝備處,上海 200233
磁共振圖像質(zhì)量控制中的若干評價指標(biāo)探討
儲呈晨,王龍辰,畢帆,李斌
上海交通大學(xué)附屬第六人民醫(yī)院 醫(yī)學(xué)裝備處,上海 200233
本文根據(jù)對全市二級醫(yī)院15臺磁共振儀的質(zhì)量檢測結(jié)果,從磁共振圖像的信噪比、均勻度、層厚、高對比度空間分辨率、幾何畸變率和鬼影等主要成像參數(shù)的評估指標(biāo)來研究磁共振質(zhì)量控制方案,從而提高對磁共振設(shè)備周期性檢測的實踐水平。
磁共振成像;質(zhì)量控制;周期性檢測;預(yù)防性維護
磁共振成像(MRI)是目前最先進(jìn)的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)之一,對軟組織靈敏度高、空間定位準(zhǔn)確、無放射性及對人體無任何損傷等特點使其優(yōu)于CT、超聲等其他成像模態(tài)。臨床醫(yī)生通過磁共振圖像篩除或排查病變,定位、定性、定量分析病變,監(jiān)測療效;影像醫(yī)生根據(jù)磁共振圖像分析同病異影、異病同影,得出診斷報告。因此,磁共振圖像質(zhì)量的高低對疾病的診斷治療具有極其重要的意義。本文介紹磁共振圖像質(zhì)量控制中若干指標(biāo)的評估方法,為臨床工程師提供磁共振周期性檢測與預(yù)防性維護的一些關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo),進(jìn)而評價磁共振設(shè)備整體性能,保證成像質(zhì)量。
磁共振質(zhì)量保證(Quality Assurance,QA)和質(zhì)量控制(Quality Control,QC)指的是在磁共振設(shè)備的選購、安裝、調(diào)試、運行的整個過程中,嚴(yán)格按照行業(yè)要求進(jìn)行規(guī)范化作業(yè),使設(shè)備各項指標(biāo)和參數(shù)符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求,處于安全、準(zhǔn)確、有效的工作狀態(tài),最優(yōu)化地發(fā)揮設(shè)備的各種性能, 為診斷疾病提供優(yōu)質(zhì)圖像的系統(tǒng)措施[1]。
美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)會(American Association of Physicists in Medicine,AAPM)和美國放射學(xué)院(American College of Radiology,ACR)提出了QA/QC基本的一些系列標(biāo)準(zhǔn),AAPM在1990年和1992年發(fā)布了AAPM report no.1[2]和AAPM report no.6[3]。這兩篇報告中,列出了信噪比、均勻度、空間分辨率、幾何畸變率等多項成像參數(shù)的測試方法、工具和測試標(biāo)準(zhǔn)。ACR也在1998年提出對磁共振系統(tǒng)進(jìn)行以圖像質(zhì)量測試為主的QA/QC,應(yīng)采用測試模具和相應(yīng)測試方法結(jié)合的方式。1988~1992年間,代表設(shè)備制造商的美國電氣制造業(yè)協(xié)會(National Electrical Manufacturers Association,NEMA)先后出版了有關(guān)MRI系統(tǒng)的信噪比、均勻性、二維圖像的幾何性能和層厚測定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
我國對MRI的QA/QC的研究起步也較早,20世紀(jì)80年代起,國內(nèi)多位教授和他們的學(xué)術(shù)團隊對磁共振常用成像參數(shù)和系統(tǒng)性能的測試進(jìn)行了研究。2006年,國家衛(wèi)生部發(fā)布了衛(wèi)生行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)WS/T 263—2006《醫(yī)用磁共振成像(MRI)設(shè)備影像質(zhì)量檢測與評價規(guī)范》,其制定了QA/QC的測試方法、工具和測試標(biāo)準(zhǔn)。2010年,國家食品藥品監(jiān)督管理局發(fā)布了醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY/T 0482-2010《醫(yī)用成像磁共振設(shè)備主要圖像質(zhì)量參數(shù)的測定》代替YY/T 0482-2004《醫(yī)療診斷用磁共振設(shè)備技術(shù)要求及試驗方法》推薦的幾種測試模塊及其相應(yīng)測試方法。
國際與國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立為磁共振質(zhì)量保證和質(zhì)量控制提供重要參考依據(jù)。臨床工程師在一套完整的容易操作的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)[4]下,根據(jù)不同廠家型號的機器,在長期監(jiān)測記錄的基礎(chǔ)上,建立個性化的指標(biāo),并及時對機器進(jìn)行調(diào)整是保證圖像質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。
磁共振成像裝置原理和構(gòu)造非常復(fù)雜,涉及到強磁場、強射頻場、高速切換的強梯度場、低溫超導(dǎo)環(huán)境、制冷系統(tǒng)等等。簡單來說,磁共振成像就是人體內(nèi)原子核在主磁場和選層梯度場中,受到射頻場激發(fā)而引起氫原子核共振,并在射頻脈沖停止后,在編碼梯度場作用下,由射頻線圈檢測接收氫原子核釋放的信號,最終接收的信號經(jīng)計算機處理后形成磁共振圖像。這一過程中不僅存在許多不安全因素,而且容易產(chǎn)生各種圖像質(zhì)量問題,直接影響臨床診斷的準(zhǔn)確性,嚴(yán)重的甚至導(dǎo)致漏診和誤診。磁共振設(shè)備想要長期處于安全、穩(wěn)定、有效的運行狀態(tài),不僅取決于設(shè)備本身質(zhì)量,而且取決于設(shè)備運行過程中各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制和管理。所有參與磁共振工作的人員,包括影像科醫(yī)師、臨床工程師、技師、護士等都負(fù)有各自的責(zé)任,任何一個環(huán)節(jié)的疏忽都可能產(chǎn)生不良結(jié)果,例如圖像偽影、序列參數(shù)不正確設(shè)置或者序列漏掃等將導(dǎo)致診斷困難甚至誤診漏診。
目前,國內(nèi)大多數(shù)醫(yī)院都是由醫(yī)院臨床工程師、廠家工程師和第三方工程技術(shù)力量共同組成的醫(yī)學(xué)裝備保障管理體系來進(jìn)行設(shè)備維護。臨床工程師則應(yīng)擔(dān)當(dāng)醫(yī)學(xué)裝備維修管理的“守門人”的職責(zé),進(jìn)行裝備保障質(zhì)量的把關(guān)[5]。因此對臨床工程師在質(zhì)量控制和質(zhì)量管理方面提出了更高的要求,包括對設(shè)備的周期性檢測[6]、預(yù)防性維護、序列參數(shù)的合理、最優(yōu)化選擇以及周圍環(huán)境的巡檢記錄等。
臨床工程師對磁共振進(jìn)行周期性檢測和預(yù)防性維護的根本在于服務(wù)臨床,解決實際工作中出現(xiàn)的各種問題,其最終目的是獲得充分滿足診斷要求的優(yōu)質(zhì)圖像,也就是指磁共振圖像能為準(zhǔn)確診斷提供足夠信息,具有高信噪比、高對比度、高分辨率、精確定位等特點,同時圖像應(yīng)沒有偽影、變形、 不均勻和模糊現(xiàn)象。
本年度受上海衛(wèi)生計生委監(jiān)督所的委托,組織了質(zhì)控中心,對全市二級醫(yī)療機構(gòu)在用的15臺磁共振設(shè)備進(jìn)行應(yīng)用質(zhì)量檢測。其中1.5 T的11臺,3 T的3臺,0.23 T的1臺,新安裝1~2年的6臺,3~5年5臺, 6~10年的4臺,10年以上的0臺。檢測選用的標(biāo)準(zhǔn)為:衛(wèi)生行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)WS/T 263—2006《醫(yī)用磁共振成像(MRI)設(shè)備影像質(zhì)量檢測與評價規(guī)范》。根據(jù)本次檢測結(jié)果,對以下幾個主要磁共振質(zhì)量檢測指標(biāo)進(jìn)行逐一分析和探討。
3.1 信噪比
圖像信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)是醫(yī)用磁共振系統(tǒng)性能的重要指標(biāo),是各種認(rèn)證機構(gòu)對磁共振設(shè)備準(zhǔn)入認(rèn)證進(jìn)行技術(shù)評判的量化指標(biāo),圖像的信噪比指圖像的信號強度與噪聲的比值。MRI設(shè)備的噪聲包括隨機噪聲和結(jié)構(gòu)性噪聲,結(jié)構(gòu)性噪聲包括各種非均勻性以及偽影等,隨機噪聲通常是各種熱噪聲。
SNR不同的測量方法在反映設(shè)備性能上的側(cè)重點有差異:AAPM提出單幅圖像法所定義的噪聲包含了隨機性熱噪聲以及結(jié)構(gòu)性噪聲的雙重影響,因此會對圖像噪聲產(chǎn)生過估計導(dǎo)致SNR值偏?。籄CR提出單幅圖像法中要求利用多個背景區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)偏差的均值作為噪聲,在一定程度上降低了結(jié)構(gòu)噪聲的影響,但是忽略了受掃描物體自身產(chǎn)生的隨機噪聲的影響,從而對噪聲產(chǎn)生一定的低估導(dǎo)致SNR值偏大;采用兩幅圖像測量信噪比的方法,其好處是消除了結(jié)構(gòu)性噪聲的影響[7]。3種方法對噪聲的估計存在差異,使得SNR值不同。在對MR系統(tǒng)進(jìn)行SNR測量和性能評價時,使用其中一種方法往往不能較好地反映設(shè)備質(zhì)量狀況,如果將3種方法的測量結(jié)果結(jié)合起來,比較不同方法的SNR值及其變化可更好地對系統(tǒng)性能進(jìn)行評價[8]。國家衛(wèi)生部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)采用了AAPM單幅圖像法,并制定了參考標(biāo)準(zhǔn)。
信噪比的國家標(biāo)準(zhǔn)為: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。表1為本年度上海市醫(yī)療設(shè)備器械管理質(zhì)量控制中心對全市二級醫(yī)療機構(gòu)抽查的15臺磁共振的3組場強下的信噪比最大值、最小值、極差和平均值。0.23 T的設(shè)備已使用近10年,指標(biāo)參數(shù)有所下降,醫(yī)院已考慮更新設(shè)備。依照此項標(biāo)準(zhǔn),14臺磁共振信噪比都高于此指標(biāo)值的數(shù)倍,考慮到該指標(biāo)是多年前制定,由于近年來各廠家的磁共振設(shè)備性能不斷提升,信噪比也隨之不斷提升,從而使得原有的標(biāo)準(zhǔn)顯得偏低,建議盡快完善國家的磁共振質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),并需要明顯提高此信噪比指標(biāo)數(shù)值。
表1 3組場強的信噪比對照表
3.2 圖像均勻度
圖像均勻度(Image Uniformity)指MRI系統(tǒng)在整個容積內(nèi)對具有同一核磁共振特性的均勻成像體產(chǎn)生恒定信號響應(yīng)的能力。圖像均勻度是衡量磁共振圖像的重要指標(biāo),它直接影響到圖像質(zhì)量的好壞以及圖像的診斷價值。導(dǎo)致圖像不均勻的因素有[9]:① 靜磁場的不均勻性;② RF場不均勻性;③ 渦流;④ 梯度脈沖校準(zhǔn);⑤ 穿透效應(yīng)。
臨床工程師一旦發(fā)現(xiàn)圖像不均勻,即可采用排除法考慮:① 是否是靜磁場本身均勻性不好,或者算法上沒有適當(dāng)?shù)男拚?,造成成像區(qū)域的不均勻;② 是否是所加射頻場不均勻,使得不同時刻的共振信號有差異最終導(dǎo)致圖像的均勻度不好;③ 是否是渦流補償不足,影響梯度場的相位編碼,產(chǎn)生各種偽影,影響均勻度;④ 是否是梯度脈沖校準(zhǔn)不好,影響層面的選擇和頻率方向與相位方向的編碼,使得圖像出現(xiàn)偽影,影響均勻度;⑤ 是否是射頻脈沖能量很高,發(fā)生了穿透效應(yīng),使得圖像不同區(qū)域接收到的信號有差異,從而影響均勻度。
圖像均勻度的國家標(biāo)準(zhǔn)為:均勻度U≥75%。依照此項標(biāo)準(zhǔn),我質(zhì)控中心抽查的15臺磁共振100%滿足指標(biāo),且13臺設(shè)備均勻度達(dá)到89%以上,具體結(jié)果見表2~3。近年來隨著磁共振技術(shù)發(fā)展,尤其是磁體技術(shù)和射頻技術(shù)的發(fā)展,各主要生產(chǎn)商的圖像均勻度指標(biāo)也有不斷提升,也就顯得原來的圖像均勻度指標(biāo)偏低了,建議在新修訂的國家標(biāo)準(zhǔn)中,適當(dāng)提高圖像均勻度標(biāo)準(zhǔn)。
表2 3組場強的圖像均勻度對照表
表3 均勻度分組表
3.3 層厚
層厚(Slice Thickness)用來描述層面方向選擇性激發(fā)過程的有效性,利用體模內(nèi)某些特殊結(jié)構(gòu)所成圖像得到層厚,既可以利用層面的剖面線(Slice Profle)的最大半高寬(FWHM)得到層厚,也可以在窗寬、窗位調(diào)節(jié)好的情況下直接測量層厚。對于不同的結(jié)構(gòu),使用的方法也會有所不同。層厚受多種因素影響,如梯度場、射頻場、靜磁場、選層脈沖等,這些因素都會導(dǎo)致機器層厚的選擇出現(xiàn)誤差,因此,選取科學(xué)有效的測試方法,對準(zhǔn)確地檢測層厚誤差是十分必要的[10]。NEMA推薦了斜板法和斜楔法兩種磁共振層厚的測試方法[11],斜板法簡單易行,但是斜板法對體模位置擺放的精確度要求很高,如果體模的橫切面與層面沒有完全平行,而仍利用計算公式,則會由于角度誤差給層厚測量帶來一定誤差。斜楔法對體模擺放不精確不敏感,計算公式中是兩交叉斜面的夾角,對于體模是固定不變的與體模擺位無關(guān)。
層厚的國家標(biāo)準(zhǔn)為:設(shè)置標(biāo)稱層厚值在5~10 mm之間,層厚的測量值與設(shè)置的標(biāo)稱值誤差應(yīng)在±1 mm內(nèi)。依照此項標(biāo)準(zhǔn),本次質(zhì)控中心抽查的15臺磁共振設(shè)備100%滿足指標(biāo),具體數(shù)值見表4;表5中86.67%的設(shè)備層厚誤差百分比在10%內(nèi),因此,層厚的評價標(biāo)準(zhǔn)亦可用誤差百分比來表示。3.4 高對比度空間分辨率
表4 3組場強的層厚對照表
表5 層厚誤差分組表
空間分辨率指兩個不同物體之間的最小可分辨距離或同一物體上的最小可分辨特性。調(diào)制傳輸函數(shù)(Modulation Transfer Function,MTF)是對線性影像系統(tǒng)或其環(huán)節(jié)的空間頻率傳輸特性的描述[12],是空間分率測量手段之一??臻g分辨率另一測量方法線對卡方法是比較直觀的測量方法,它觀察圖像中可分辨目標(biāo)物的線對數(shù)(每厘米線對數(shù),1p/cm)。兩種方法相比,利用線對卡得到的結(jié)果存在較大的跳躍性,如設(shè)置掃描條件使得空間分辨率的理論值不同,利用線對卡測量的結(jié)果只能是相同的整數(shù),顯示不出空間分辨率差異,而MTF卻可以連續(xù)表示線對數(shù)[13],但其需要導(dǎo)出圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。兩種方法各有優(yōu)劣,質(zhì)控人員可根據(jù)需要選擇適用測量方法。
空間分辨率的國家標(biāo)準(zhǔn)為:空間分辨率滿足在視野(FOV)為250 mm×250 mm時,采集矩陣128 mm×128 mm的空間分辨力達(dá)到2 mm;采集矩陣256 mm×256 mm的空間分辨力達(dá)到1 mm;采集矩陣512 mm×512 mm的空間分辨力達(dá)到0.5 mm。依照此項標(biāo)準(zhǔn),本年度質(zhì)控中心抽查的15臺磁共振設(shè)備只有66.67%的設(shè)備能滿足此項指標(biāo),仍有33.33%的設(shè)備達(dá)不到此項標(biāo)準(zhǔn),檢查結(jié)果見表6。由于此項指標(biāo)對于醫(yī)生能準(zhǔn)確做出病灶的確認(rèn)至關(guān)重要,建議今后的質(zhì)控檢查中需要對于此指標(biāo)進(jìn)行重點檢查。
表6 按場強分組的空間分辨率對照表
3.5 幾何畸變率
臨床圖像的空間關(guān)系應(yīng)該和所研究人體的實際空間關(guān)系相關(guān)聯(lián),這是磁共振設(shè)備的一個基本特性。幾何畸變率是評價這一特性的基本參數(shù),其是由在像素位置上的實際磁場偏離理論值造成的。局部磁場由靜磁場和梯度場疊加而成,因此,造成幾何畸變的主要原因是靜磁場和梯度場的不均勻性。靜磁場不均勻性的作用取決于相關(guān)聯(lián)的梯度場的相對強度,但梯度造成的失真程度和梯度自身大小無關(guān)。
幾何畸變率的國家標(biāo)準(zhǔn)要求:幾何畸變率最大不應(yīng)超過5%。依照此項標(biāo)準(zhǔn),本質(zhì)控中心抽查的15臺磁共振設(shè)備100%滿足指標(biāo),檢查結(jié)果中最大幾何畸變率為3.5%(表7),也說明了當(dāng)下的磁共振設(shè)備與幾何畸變率相關(guān)的梯度和射頻技術(shù)等方面已經(jīng)日趨成熟。
表7 3組場強的幾何畸變率對照表
3.6 鬼影
鬼影是在錯誤位置上顯示完整或部分結(jié)構(gòu)的一種偽影。鬼影的幅度和位置依賴于調(diào)制的傅里葉變換。影響理想原始數(shù)據(jù)的任何不穩(wěn)定性都可能在重建圖像中造成鬼影,可能的不穩(wěn)定性來源于運動、未補償?shù)臏u流、不完整的散相梯度、射頻干擾和漂移。
鬼影的國家標(biāo)準(zhǔn)為:偽影的信號值應(yīng)小于實際信號值的5%。
本文主要針對臨床工程師對磁共振設(shè)備進(jìn)行周期性檢測和預(yù)防性維護過程中所涉及的若干指標(biāo)的評估方法及其影響因素進(jìn)行了綜述,旨在幫助質(zhì)控人員合理選用測量方法,更準(zhǔn)確的掌握設(shè)備運行狀態(tài),同時也能根據(jù)指標(biāo)誤差分析原因,及時采取措施以確保系統(tǒng)高質(zhì)、高效實用。
本文所述有關(guān)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)是參考2006年國家衛(wèi)生部發(fā)布的衛(wèi)生行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[14],對各廠家型號的設(shè)備均適用。隨著磁共振技術(shù)近10年的高速發(fā)展,設(shè)備性能有所提高,相應(yīng)的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)有所改變。信噪比與場強大小相關(guān),應(yīng)按場強大小分組,建議提高信噪比標(biāo)準(zhǔn)值。不同廠家的不同線圈對信噪比的結(jié)果影響很大[15]。因此,可以考慮制定不同場強分組下常用的幾款線圈的信噪比標(biāo)準(zhǔn)。均勻度的大小與場強無關(guān),根據(jù)上述質(zhì)量檢測結(jié)果建議提高均勻度標(biāo)準(zhǔn)。檢測結(jié)果中,層厚、高對比度空間分辨率、幾何畸變率和鬼影等國家標(biāo)準(zhǔn)仍比較適合,建議保留。
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Discussion on a Number of Evaluation Indexes in Quality Control of Magnetic Resonance Images
CHU Cheng-chen, WANG Long-chen, BI Fan, LI Bin
Department of Medical Equipment, Shanghai Jiao Tong University Affiliated Sixth People’s Hospital, Shanghai 200233, China
This paper researched the quality control program for magnetic resonance imaging (MRI) based on results of quality testing of ffteen magnetic resonance imaging systems in the secondary hospitals in Shanghai. Evaluation indexes of imaging parameters used in the research included signal to noise ratio, image uniformity, slice thickness, high contrast spatial resolution, geometric distortion, and ghosting artifact. The research aimed to enhance the understanding and practice level in the periodic inspection of magnetic resonance equipment.
magnetic resonance imaging; quality control; periodic inspection; preventive maintenance
R197.39 [文獻(xiàn)標(biāo)碼] B
10.3969/j.issn.1674-1633.2016.05.039
1674-1633(2016)05-0124-04
2015-10-26
2015-11-10
本文作者:儲呈晨,在讀碩士研究生。
李斌,教授級高級工程師。
通訊作者郵箱:libin2001@hotmail.com