醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)檢測方法的研究與評定

李 杰

（福建省計量科學(xué)研究院，福建福州 350003）

醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)檢測方法的研究與評定

李 杰

（福建省計量科學(xué)研究院，福建福州 350003）

根據(jù)醫(yī)用磁共振成像（MRI）系統(tǒng)的技術(shù)特性，在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分別對主磁場強(qiáng)度、信號噪聲比、圖像均勻性等MRI系統(tǒng)檢測參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了研究確定，并對主磁場強(qiáng)度的測量結(jié)果進(jìn)行了不確定度評定，評定結(jié)果為醫(yī)用MRI系統(tǒng)主磁場強(qiáng)度測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度U＝9.8mT（k＝2），符合醫(yī)用MRI系統(tǒng)臨床與質(zhì)量控制的要求。

計量學(xué)；醫(yī)用磁共振成像；檢測方法；不確定度

1 引 言

現(xiàn)代疾病診斷離不開醫(yī)學(xué)影像診斷學(xué)的支持，通過影像設(shè)備采集處理患者的醫(yī)學(xué)影像信息已是疾病診斷與研究的重要手段和依據(jù)。磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）系統(tǒng)應(yīng)用臨床以來，以其無電離輻射安全性好，對軟組織有超強(qiáng)的顯示能力，在生物工程和醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用［1］，在醫(yī)院診治方面的地位日益突出。

目前MRI系統(tǒng)的種類眾多，其早期與現(xiàn)代產(chǎn)品的影像質(zhì)量相差較大，而影像質(zhì)量的好壞直接影響到醫(yī)生對疾病的診斷與治療，因此，磁共振影像計量參數(shù)的檢測就顯得至關(guān)重要。然而，由于MRI系統(tǒng)是近些年才廣泛使用的醫(yī)學(xué)設(shè)備，到目前為止，MRI系統(tǒng)國家檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范尚未制定。為此，作者與某軍區(qū)總醫(yī)院等單位共同開展了MRI系統(tǒng)檢測方法的研究，在實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，研究確定MRI檢測方法及其性能指標(biāo)。

2 MRI系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

MRI系統(tǒng)主要由主磁體、射頻線圈系統(tǒng)、梯度系統(tǒng)、計算機(jī)（圖像采集、處理和顯示）系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和診斷床等組成。根據(jù)主磁場的場強(qiáng)分類，有低場：場強(qiáng)〈0.5 T；中場：場強(qiáng)在0.5～1.0 T；高場：場強(qiáng)在1.0～2.0 T；超高場：場強(qiáng)＞2.0 T。MRI系統(tǒng)是通過外磁場和人體的相互作用來成像。一定的射頻頻率激發(fā)，原子核吸收一定能量即可產(chǎn)生磁共振現(xiàn)象。停止射頻脈沖后，已被激發(fā)的原子核所吸收的能量又釋放出來，相位與能級恢復(fù)到激發(fā)前狀態(tài)。用感應(yīng)線圈采集人體不同器官正常組織與病理組織體素的不同的核磁共振信號，進(jìn)行空間編碼和數(shù)字化處理，獲得人體各種組織的影像。磁共振成像方法還可選擇不同的物理參數(shù)進(jìn)行成像，如質(zhì)子密度、縱向弛豫時間T1值、橫向弛豫時間T2值等，使圖像主要反映組織某方面特性［2］。

3 MRI系統(tǒng)檢測方法研究

由于MRI系統(tǒng)種類眾多，結(jié)構(gòu)差異較大，各種MRI系統(tǒng)為提高影像質(zhì)量所采用的技術(shù)不同。如高場強(qiáng)的MRI系統(tǒng)，成像速度快、信噪比高、圖像分辨力高，但負(fù)面作用是SAR（在患者體內(nèi)能量沉積）增加了幾倍，所以各廠家采取不同的降低SAR的方法。而低場的MRI系統(tǒng)則不受SAR的限制，主要是在降低噪聲水平、提高數(shù)據(jù)處理能力方面采用先進(jìn)技術(shù)。因此，MRI系統(tǒng)的檢測比其他設(shè)備更為復(fù)雜，其所確定的技術(shù)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo)應(yīng)能做到對MRI系統(tǒng)性能的全面涵蓋與正確評價。

MRI系統(tǒng)需要控制的技術(shù)參數(shù)主要2種類型：一類為有場特性的參數(shù)；另一類為影像質(zhì)量評價的參數(shù)。本文主要研究MRI系統(tǒng)的特性，分析在形成影像過程中影響較大的技術(shù)參數(shù)，并參考國外標(biāo)準(zhǔn)［3～6］與國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［7］，借鑒專家經(jīng)驗［8］，定出需檢定的技術(shù)參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)。技術(shù)參數(shù)包括主磁場強(qiáng)度、信號噪聲比（SNR）、圖像均勻性、空間線性、空間分辨力、低對比分辨力、層厚、縱橫比等。

3.1 主磁場強(qiáng)度

主磁體直接關(guān)系到磁場強(qiáng)度、磁場均勻性、磁場穩(wěn)定性，進(jìn)而影響影像質(zhì)量，是非常重要的參數(shù)。主磁場強(qiáng)度作為檢測參數(shù)，主要是考慮信噪比和醫(yī)學(xué)上的安全性因素，需要在得到最佳影像的同時，對患者造成的損害最少。檢測方法為：特斯拉計的探頭置于線圈中心區(qū)域，探頭須與磁力線垂直或平行，讀取特斯拉計示值。在此過程中MRI系統(tǒng)無需掃描。實驗數(shù)據(jù)顯示，確定場強(qiáng)不小于1.0 T的MRI系統(tǒng)，磁場強(qiáng)度不超過標(biāo)稱值的±2.0%；場強(qiáng)小于1.0 T的MRI系統(tǒng)，磁場強(qiáng)度不超過標(biāo)稱值的±5.0%為適合的。

測量主磁場強(qiáng)度的特斯拉計用2種不同精度與量程的設(shè)備進(jìn)行試驗，以確定作為計量標(biāo)準(zhǔn)的特斯拉計的技術(shù)指標(biāo)。一臺測量范圍為0～2.0 T，分辨力0.1 mT；另一臺測量范圍為0～4.3 T，分辨力0.1 μT。試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果，2臺均可作為主磁場強(qiáng)度的測量設(shè)備，但0～4.3 T（分辨力0.1μT）這臺相對更適合，可用于3 T超高場磁共振檢測。本文確定特斯拉計技術(shù)指標(biāo)為分辨力≥0.1 mT，最大允許誤差不超過被檢對象的1／3。

3.2 信號噪聲比

圖像信號噪聲比是關(guān)系到磁共振圖像臨床有效性的一個參數(shù)，它能綜合反映出其他參數(shù)的變化，如果信號噪聲比小，說明MRI系統(tǒng)重復(fù)性差，是一個十分重要指標(biāo)。

試驗方法：（1）將模體放置在頭部診斷位置，并使模體水平放置于掃描野中心，然后送入磁體的中心。（2）執(zhí)行MRI系統(tǒng)生產(chǎn)廠家推薦的標(biāo)準(zhǔn)臨床掃描前的預(yù)校正程序。（3）設(shè)定掃描條件，見表1。（4）用矢狀位條件掃描出定位圖，見圖1。按掃描定位圖設(shè)定掃描層面，對模體圖像均勻性層、低對比度分辨力層等不同測量層面進(jìn)行掃描。

表1 MRI系統(tǒng)檢測掃描條件

圖1 掃描定位圖

信號噪聲比檢測方法為：在信號噪聲比檢測層上，對圖像中心信號區(qū)域的測量興趣區(qū)域（MROI）進(jìn)行測量（至少75%的一個居中規(guī)則幾何區(qū)域），得到信號強(qiáng)度S；再從模體外周圍四角背景區(qū)域分別測量感興趣區(qū)域（NMROI）信號強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差SD，見圖2。計算出信號噪聲比為

圖2 信號噪聲比檢測圖像

該檢測方法為NEMA標(biāo)準(zhǔn)推薦的4種信號噪聲比檢測方法之一，本文根據(jù)現(xiàn)有模體反復(fù)做試驗，對采集的圖像和測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析后選擇了此方法。采用該檢測方法的優(yōu)點有：（1）1次采集方法，由于只獲得1幅圖像，避免了采集2幅圖像受系統(tǒng)漂移偽影影響。（2）從圖像的四角背景區(qū)域測量，結(jié)果取平均值，避免了在1個區(qū)域測量，細(xì)微不可見的偽影對SD測量產(chǎn)生不良影響。同時，也避免了某些圖像后處理方法有可能使某個背景區(qū)域模糊以至于無法測量噪聲。（3）從圖像的四角背景區(qū)域測量，避免了當(dāng)以較大帶寬采集圖像時，接收輔助系統(tǒng)的頻率相應(yīng)的非均勻性會在圖像的兩邊（高頻正向邊和低頻反向邊）產(chǎn)生不同的噪聲統(tǒng)計結(jié)果。

信號噪聲比技術(shù)指標(biāo)根據(jù)主磁場的磁場強(qiáng)度來分段，每段確定不同指標(biāo)，由試驗數(shù)據(jù)可以看出，確定場強(qiáng)為1.5 T及其以上的MRI系統(tǒng)的信噪比應(yīng)不小于180；場強(qiáng)為1.0 T的MRI系統(tǒng)的信噪比應(yīng)不小于160；場強(qiáng)為0.9 T及其以下的MRI系統(tǒng)的信噪比應(yīng)不小于100。本文實驗驗證的10幾臺MRI設(shè)備均符合此指標(biāo)。

3.3 圖像均勻性

圖像均勻性是MRI系統(tǒng)在掃描區(qū)內(nèi)對磁共振特性均勻的物質(zhì)產(chǎn)生均勻信號響應(yīng)的能力。圖像均勻性檢測方法為：（1）在圖像均勻性檢測層上，把窗寬調(diào)整至最小，調(diào)整窗位找出窗口內(nèi)最高信號強(qiáng)度區(qū)域，將感興趣區(qū)定位在此高強(qiáng)度區(qū)域，然后將該感興趣區(qū)的信號強(qiáng)度定為Smax；（2）在圖像均勻性層面上，把窗寬調(diào)整至最小，調(diào)整窗位找出窗口內(nèi)最低信號強(qiáng)度區(qū)域，將該感興趣區(qū)定位在此低強(qiáng)度區(qū)域，然后將感興趣區(qū)的信號強(qiáng)度定為Smin。圖3為圖像均勻性檢測圖像，Smax＝d1＝1719.52，Smin＝d2＝1633.52，其中，d值為像素值。計算圖像均勻性為

圖3 圖像均勻性檢測圖像

圖像的均勻性是根據(jù)新版NEMA標(biāo)準(zhǔn)中的檢測方法，該方法比原測均勻性方法好。原方法是取均勻分布的9個點，逐點檢測，取最大值與最小值計算差值、中值、圖像均勻性。2種檢測方法的試驗結(jié)論為新方法更準(zhǔn)確、更簡便。

3.4 低對比分辨力

低對比分辨力是指當(dāng)物體產(chǎn)生的信號強(qiáng)度與背景信號強(qiáng)度相近時，成像系統(tǒng)對物體的分辨能力。低對比分辨力在國際上有些權(quán)威的關(guān)于影像診斷設(shè)備的質(zhì)量保證、質(zhì)量控制報告中沒有列入必檢項目。本文考慮到低對比分辨力在評價圖像質(zhì)量方面的重要性，尤其是MRI系統(tǒng)，多用于器官軟組織的診斷，在磁共振圖像中人體許多組織的信號較弱，如器官、韌帶、神經(jīng)等，當(dāng)信號強(qiáng)度與背景信號強(qiáng)度相近時，成像系統(tǒng)對物體的分辨能力是很重要的，當(dāng)?shù)蛯Ρ确直媪θ鯐r，難以判斷細(xì)微病變。因此，低對比分辨力作為臨床診斷有重要意義的圖像質(zhì)量參數(shù)，本文將其列入檢測項目中。

試驗時采用磁共振性能模體，在低對比分辨力檢測層，將窗寬和窗位調(diào)至合適的位置，應(yīng)能分辨出直徑最小、深度最淺的圓孔，見圖4。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，新的MRI系統(tǒng)低對比度圖像分辨力優(yōu)于使用時間長和出廠時間早的MRI系統(tǒng)低對比度圖像分辨力。從試驗情況看，大部分MRI系統(tǒng)都能達(dá)到要求。

圖4 低對比分辨力檢測圖像

4 主磁場強(qiáng)度測量結(jié)果的不確定度評定

對于MRI系統(tǒng)，主磁場強(qiáng)度參數(shù)可溯源到國家基標(biāo)準(zhǔn)。使用測量范圍為0～2.0 T，分辨力為0.1 mT的特斯拉計測量主磁場強(qiáng)度。測量時將特斯拉計的探頭進(jìn)行消磁清零后，將探頭置于線圈中心區(qū)域，探頭與磁力線垂直進(jìn)行檢測，讀取磁場強(qiáng)度示值，重復(fù)測量3次取其平均值。MRI系統(tǒng)標(biāo)稱磁場強(qiáng)度與3次測量的平均值之差即為它的示值誤差

式中，ΔB為主磁場強(qiáng)度示值誤差；T0為MRI系統(tǒng)標(biāo)稱主磁場強(qiáng)度；T為特斯拉計3次測量值的平均值。

主磁場強(qiáng)度的不確定度［9］分量為：

（1）由特斯拉計引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1。根據(jù)特斯拉計檢定證書，最大誤差為8.2 mT，服從均勻分布，則

（2）探頭位置變換引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u2。由于磁場強(qiáng)度值是特斯拉計的探頭對位調(diào)整后讀取的最大值為準(zhǔn)，因此在測量1.5 T的磁共振磁場強(qiáng)度時，根據(jù)經(jīng)驗，對位不準(zhǔn)引入的偏差值為1 mT，服從均勻分布，則

磁場強(qiáng)度均勻性是在圖像均勻性層面上檢測信號強(qiáng)度的最大值與最小值，本次測量是在該層面積上檢測一個點，因此探頭對位不準(zhǔn)已包含了磁場均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

（3）示值重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA。在規(guī)定的工作條件下，將特斯拉計的探頭置于線圈中心區(qū)域，進(jìn)行10次獨立重復(fù)觀測，用貝塞爾公式計算得到單次測量值的實驗標(biāo)準(zhǔn)差為s（x）＝1.89 mT；本次測量時僅測3次，以3次測量的算術(shù)平均值作為測量結(jié)果，故由重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為uA

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc為

則主磁場強(qiáng)度測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為

因此，醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)主磁場強(qiáng)度測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為

5 結(jié) 論

通過評估MRI影像參數(shù)質(zhì)量來評估MRI系統(tǒng)的質(zhì)量，用核磁共振性能模體為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，實現(xiàn)了MRI系統(tǒng)質(zhì)量控制。提出了一種可操作性強(qiáng)、檢測項目較全面的檢測方法。通過對主磁場強(qiáng)度測量結(jié)果不確定度的評定，驗證了檢測方法的準(zhǔn)確性與可行性，為MRI系統(tǒng)主磁場強(qiáng)度測量結(jié)果的不確定度分析與評定提供了一種參考模式。該檢測方法已形成JJG（閩）1041—2011《醫(yī)用磁共振成像（MRI）系統(tǒng)》地方計量檢定規(guī)程，為展開MRI系統(tǒng)的檢定工作，在技術(shù)上和法規(guī)上提供了檢測依據(jù)。

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Research and Evaluation on the Method of Detection for Medical Magnetic Resonance Im aging System

LI Jie
（Fujian Metrology Institute，F(xiàn)uzhou，F(xiàn)ujian 350003，China）

According to the technical characteristicsofmedicalmagnetic resonance imaging（MRI）system，and based on the experimental data，MRIdetection system parameters and specifications，including themainmagnetic field strength，the signal noise ratio and image uniformity are researched and determ ined.The uncertainty ofmainmagnetic field strength is analyzed and evaluated.The result of expanded uncertainty for themainmagnetic field strength ofmedical MRIsystem isU＝9.8mT（k＝2），and these are consistentwith MRI clinical and quality control requirements.

Metrology；Medicalmagnetic resonance imaging；Detectionmethod；Uncertainty

TB98

A

1000-1158（2014）02-0184-04

10．3969／j．issn．1000-1158．2014．02．20

2013-10-19；

2013-12-27

李杰（1963－），福建福州人，福建省計量科學(xué)研究院高級工程師，主要從事醫(yī)學(xué)計量和計量管理研究。691972433＠qq.com