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

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(duì)52分隊(duì)，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(shí)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(duì)52分隊(duì)，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(píng)價(jià)磁共振系統(tǒng)的時(shí)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(píng)價(jià)方法對(duì)磁共振系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，探討SPM在評(píng)價(jià)時(shí)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(píng)價(jià)該結(jié)果對(duì)時(shí)間穩(wěn)定性的影響。結(jié)論 本實(shí)驗(yàn)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(dòng)校正；時(shí)間穩(wěn)定性

0 前言

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是隨著計(jì)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(lái)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(wú)損、分辨率高的優(yōu)勢(shì)，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(shí)，腦激活區(qū)引起的信號(hào)變化量極小，容易被噪聲等因素干擾甚至淹沒(méi)，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(duì)于磁共振系統(tǒng)時(shí)間穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)與研究已經(jīng)有相應(yīng)的進(jìn)展，但是評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)相對(duì)單一，所以建立一種更為全面的評(píng)價(jià)方法具有很大意義。本文介紹一種利用統(tǒng)計(jì)參數(shù)圖（Statistical Parametric Mapping，SPM）技術(shù)對(duì)磁共振時(shí)間穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)的方法。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(jì)的一個(gè)通用軟件包，由英國(guó)K.Friston等學(xué)者在MATLAB平臺(tái)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(shì)，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(shí)驗(yàn)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(shí)相（phase）=240次，掃描時(shí)間=488s。

1.2.2 利用SPM8對(duì)掃描圖像進(jìn)行處理

運(yùn)行SPM8，點(diǎn)擊fMRI按鈕，進(jìn)入SPM功能磁共振預(yù)處理面板，見(jiàn)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(diǎn)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(shí)驗(yàn)圖像各層是連續(xù)獲取的，因此不需要進(jìn)行時(shí)間校正，可直接進(jìn)行頭動(dòng)校正處理。在上方的校準(zhǔn)選項(xiàng)中選擇“Realin(Est&Res”，進(jìn)入頭動(dòng)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(xiàng)。點(diǎn)擊“Slect Files”，用文件選擇器選擇剛轉(zhuǎn)化完的圖像，其余選項(xiàng)采用默認(rèn)設(shè)置，點(diǎn)擊上方綠色的三角開(kāi)始運(yùn)行。頭動(dòng)校正處理面板，見(jiàn)圖2

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

Mean Curve處理的ROI選取位置，見(jiàn)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(hào)的ROI值img[i]。

用Mean Curve軟件計(jì)算信號(hào)穩(wěn)定性的公式：

(1)式中diff表示每幅圖像ROI信號(hào)相對(duì)于參考圖象的差異，img[i]為第i幅圖像信號(hào)ROI值，img_ref為參考圖象信號(hào)ROI值，本次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，此次實(shí)驗(yàn)中最大可得到的各軸最大平移量和最大旋轉(zhuǎn)度數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 Mean Curve的處理結(jié)果處理結(jié)果見(jiàn)圖6。

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

3 討論

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

3.1 頭動(dòng)校正處理的意義和原理

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

在頭部掃描過(guò)程中，頭部的運(yùn)動(dòng)通常被看作是剛體運(yùn)動(dòng)，它由平移運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成。在對(duì)兩組圖像進(jìn)行頭動(dòng)校正匹配時(shí)，需要考慮剛體在平移方向和旋轉(zhuǎn)方向六個(gè)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(dòng)校正有兩個(gè)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(duì)圖像進(jìn)行重新采樣，實(shí)現(xiàn)三維圖像的重切片[9-11]。以上實(shí)驗(yàn)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(dòng)校正信息評(píng)估磁共振設(shè)備系統(tǒng)時(shí)間穩(wěn)定性

目前，對(duì)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(duì)于此類體模圖像，由于體模在掃描時(shí)應(yīng)該是靜止不動(dòng)的，理論上不需要進(jìn)行頭動(dòng)校正處理，但是當(dāng)我們利用SPM軟件對(duì)這些圖像進(jìn)行頭動(dòng)校正處理時(shí)，仍然能夠看到很明顯的頭動(dòng)校正信息。圖4和圖5這說(shuō)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(shí)間穩(wěn)定性相關(guān)的，因此我們可以利用這些校正信息來(lái)對(duì)系統(tǒng)時(shí)間穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

磁共振設(shè)備的穩(wěn)定包括時(shí)間穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，都對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有著顯著的影響。通常情況下，BOLD-fMRI實(shí)驗(yàn)所檢測(cè)的激活信號(hào)非常微弱，同時(shí)需要對(duì)特定部位進(jìn)行反復(fù)的采集，每一層面的時(shí)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(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)家協(xié)會(huì))提出BOLD—fMRI掃描激活信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差的漲落幅度不能＞0.3%，即穩(wěn)定性的絕對(duì)值≤0.3%。從本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，利用Mean Curve計(jì)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(lái)的不利影響。因此，可以結(jié)合上面的頭動(dòng)校正結(jié)果來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

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(huì)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(kāi)展功能磁共振的研究。由于本次實(shí)驗(yàn)是在設(shè)備剛開(kāi)機(jī)1 h內(nèi)進(jìn)行的，因此分析此次實(shí)驗(yàn)中設(shè)備穩(wěn)定性不理想的原因可能是因?yàn)樵O(shè)備剛開(kāi)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(kāi)展，然而，受限于醫(yī)院的現(xiàn)實(shí)條件，此類科學(xué)研究實(shí)驗(yàn)往往都是在醫(yī)院正常工作時(shí)間之外開(kāi)展,在開(kāi)展此類科學(xué)研究時(shí)，磁共振設(shè)備不是處于剛開(kāi)機(jī)的狀態(tài)就是已經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間工作達(dá)10 h以上，其系統(tǒng)的時(shí)間穩(wěn)定性可能會(huì)發(fā)生變化，甚至影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。因此對(duì)磁共振設(shè)備進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，在穩(wěn)定性較好情況下開(kāi)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(yǔ)

本研究提出的利用SPM的頭動(dòng)校正結(jié)果評(píng)價(jià)磁共振設(shè)備的時(shí)間穩(wěn)定性是一種簡(jiǎn)單可行的方法，相對(duì)之前利用Mean Curve的結(jié)果評(píng)價(jià)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(kāi)展的時(shí)機(jī)。但是在評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行評(píng)價(jià)。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(jì)量專項(xiàng)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(jí)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