張 默 齊志剛 趙 澄 盧 潔* 劉 迪

當(dāng)前，磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)系統(tǒng)的診斷能力等特點(diǎn)，已被各級醫(yī)療機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用[1]。隨著MRI技術(shù)的快速發(fā)展，各種高場強(qiáng)及超高場強(qiáng)的MRI設(shè)備在全國普及應(yīng)用，成為臨床不可或缺的影像檢查手段。然而，MRI系統(tǒng)組成復(fù)雜，結(jié)構(gòu)精密，而影響MRI儀最終圖像質(zhì)量的因素多種多樣，各級醫(yī)療機(jī)構(gòu)在設(shè)備維護(hù)、保養(yǎng)及圖像校正方面水平參差不齊，導(dǎo)致最終所得的MRI影像質(zhì)量存在差異，進(jìn)而導(dǎo)致影響病情診斷，重則可能導(dǎo)致醫(yī)療事故。因此，對MRI設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確的圖像質(zhì)量控制就顯得尤為必要。

在對MRI設(shè)備進(jìn)行質(zhì)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(shù)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(shù)之一，是指被成像的物體MRI信號相同時，MRI掃描儀產(chǎn)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(zhì)的區(qū)域的再現(xiàn)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(zhǔn)度、穿透效應(yīng)以及渦流效應(yīng)等[3]。

本研究將使用兩種不同的體模和相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)分別對高場磁共振掃描儀進(jìn)行圖像均勻度的測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行分析，評價兩種不同體模和其相應(yīng)測試標(biāo)準(zhǔn)的差異，以期在對MRI圖像進(jìn)行質(zhì)量控制中選擇體模提供參考，提高檢測的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。

1 材料與方法

1.1 設(shè)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(xué)會(American College of Radiology，ACR)MRI體模。檢測設(shè)備為UMR 770型3.0T超導(dǎo)磁共振掃描儀(上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司)；UMR 560型1.5T超導(dǎo)磁共振掃描儀(上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司)；掃描使用正交頭部線圈。

1.2 掃描參數(shù)

掃描序列采用自旋回波(spin echo，SE)成像脈沖序列，檢測參數(shù):重復(fù)時間(repetition time，TR)為500 ms；回波時間(echo time，TE)為20 ms；視野(field of view，F(xiàn)OW)為256 mm×256 mm；圖像矩陣256×256；激勵次數(shù)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(huán)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(zhǔn)備。由于在存放和運(yùn)輸過程中，體模內(nèi)部會析出少量氣泡附著于插片上，在掃描前，應(yīng)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(wěn)定至于頭部線圈底座，通過水平尺調(diào)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(yùn)導(dǎo)致的體模內(nèi)液體流動會影響掃描結(jié)果，開始掃描前應(yīng)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(shù)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(nèi)部作9個面積均約為200 mm2的感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)，并對所有ROI信號強(qiáng)度(S)進(jìn)行登記，選擇S最大值(Smax)和S最小值(Smin)，圖像均勻度(UΣ)計(jì)算為公式1[5]:

式中Smax表示ROI信號強(qiáng)度的最大值，Smin表示ROI信號強(qiáng)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)中，均勻度可以采用兩種方法檢測，分別為調(diào)值法和最值法[6]。采用調(diào)值法進(jìn)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(qū)域；②調(diào)節(jié)圖像窗寬至0或1，之后調(diào)節(jié)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(qū)域內(nèi)出現(xiàn)一定范圍的黑色像素區(qū)域，即為低信號區(qū)域，若測試區(qū)域內(nèi)有多個低信號區(qū)域，則以面積較大的范圍做為測量目標(biāo)；④在低信號區(qū)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(qū)域內(nèi)挪動ROI，共記錄5個低信號值；⑤升高窗位，直至白色像素區(qū)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(qū)域內(nèi)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(jié)果

2.1 兩種體模對UMR 560型1.5T MR掃描儀測量結(jié)果

(1)通過SMR170和ACR兩種體模對UMR560型1.5T磁共振掃描儀進(jìn)行圖像均勻度測量，測量數(shù)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(jì)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(jié)果

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

(2)將所得信號值分別帶入公式(1)計(jì)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(shè)備的圖像質(zhì)量控制和管理體系基本源自美國，我國各級醫(yī)院及管理機(jī)構(gòu)雖已開展對MRI設(shè)備的監(jiān)管，但主要著眼于設(shè)備出場安裝，在使用過程中的圖像質(zhì)量控制和管理體系尚未完善，部分醫(yī)療機(jī)構(gòu)仍存在忽視MRI圖像質(zhì)量控制的現(xiàn)象，對設(shè)備的狀態(tài)和保養(yǎng)維護(hù)只停留于出現(xiàn)較為明顯的偽影或設(shè)備停機(jī)后聯(lián)系廠商維修的階段。

臨床中MRI圖像質(zhì)量控制的首要環(huán)節(jié)是建立一套規(guī)范完整，且應(yīng)具有較高準(zhǔn)確性的體模測試標(biāo)準(zhǔn)。在針對磁共振設(shè)備成像質(zhì)量的評估及測試過程中，圖像均勻度是一項(xiàng)非常重要的系統(tǒng)參數(shù)，是指當(dāng)被成像的物體具有均勻的MR特性時，MRI系統(tǒng)在掃描整個體積過程中產(chǎn)生常量信號響應(yīng)的能力，描述了MRI對體模內(nèi)同一物質(zhì)區(qū)域的再現(xiàn)能力[7]。圖像均勻度計(jì)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(zhì)與射頻場性能、渦流效應(yīng)以及梯度脈沖和穿透效應(yīng)[9]。靜磁場(B0場)，其均勻度主要取決于磁共振設(shè)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(fā)出，射頻場的幅值變化會導(dǎo)致不同時刻的共振信號差異，從而導(dǎo)致圖像不均勻。渦流產(chǎn)生的瞬時磁場方向與梯度場方向相反，如果渦流補(bǔ)償不足，會產(chǎn)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(zhǔn)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(xiàn)偽影，影響均勻度[10]。測試所用接受線圈的質(zhì)量和其他射頻系統(tǒng)的問題也會導(dǎo)致均勻度的改變。不符合均勻度標(biāo)準(zhǔn)的圖像表明射頻系統(tǒng)信號的變化超過正常信號變化范圍，必須及時對設(shè)備硬件進(jìn)行排查和校正調(diào)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(fā)現(xiàn)，兩種檢測方法都是使用相同參數(shù)的磁共振序列，在模體的特定層面中進(jìn)行掃描，在所獲得的圖像中進(jìn)行多次采樣，并計(jì)算樣本的圖像均勻度均值。所不同點(diǎn)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(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)部進(jìn)行采樣；ACR水模的檢測范圍是在模體第7層內(nèi)的中心繪制一個200 cm2的圓形ROI；②SMR170體模的采樣點(diǎn)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(diào)幅法，在圓形ROI內(nèi)，分別選取信號最高和最低的區(qū)域各進(jìn)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(shù)量更多，采樣位置則選擇極值區(qū)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(jié)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(jié)果都比較理想；當(dāng)模體邊緣出現(xiàn)小范圍異常的低信號區(qū)域時，SMR170體模的檢測區(qū)域未受影響，測量結(jié)果仍較高，而ACR體模的檢測范圍覆蓋了部分低信號區(qū)域，對結(jié)果產(chǎn)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(nèi)圖像內(nèi)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(qiáng)的不斷升高及梯度線圈性能的不斷發(fā)展，基于全腦體素分析的功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)和結(jié)構(gòu)磁共振成像(structure magnetic resonance imaging，sMRI)等新技術(shù)已經(jīng)廣泛的在臨床使用的超高場強(qiáng)磁共振儀器上開展開來，而這些技術(shù)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(gòu)成。在實(shí)際掃描過程中，磁共振設(shè)備的圖像均勻度出現(xiàn)偏差，將嚴(yán)重影響fMRI、sMRI等全腦分析的數(shù)據(jù)處理結(jié)果，導(dǎo)致得出與真實(shí)情況相差較大甚至相反的處理結(jié)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(shè)備圖像質(zhì)量控制的過程中，所使用的體模也需能夠準(zhǔn)確地反應(yīng)設(shè)備的真實(shí)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(shù)量更多，對設(shè)備均勻度的改變更加敏感，更適合應(yīng)用于磁共振高級功能應(yīng)用上的圖像均勻度的質(zhì)量控制使用。