MRI斷層層厚測量方法研究

康立麗，張麗媛，楊紹洲

（1.南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510515；2.南方醫(yī)科大學(xué)中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院設(shè)備科，廣東 廣州 510515）

0 引 言

層厚是斷層成像技術(shù)的一項(xiàng)重要性能參數(shù)，對其進(jìn)行快速、準(zhǔn)確測量可以更加準(zhǔn)確地評價相關(guān)設(shè)備的性能。對于磁共振成像技術(shù)（magnetic resonance imaging，MRI），斷層層厚的選取是在靜磁場、梯度場、射頻場的配合作用下確定的。通過對相應(yīng)體模成像及斷層層厚的測試可以評價上述3個場的性能。傳統(tǒng)的層厚測量方法是調(diào)節(jié)窗寬、窗位或者是利用設(shè)備自身提供的靈敏度剖面線（Profile）功能測量相關(guān)目標(biāo)物的尺寸，然后根據(jù)體模具體參數(shù)計(jì)算出斷層層厚[1-7]。

目前國內(nèi)的相關(guān)測試多是采用調(diào)節(jié)窗寬、窗位的方法（祥見1.3.1）進(jìn)行手工測試，測試速度慢、主觀性強(qiáng)、不確定度較大。發(fā)達(dá)國家進(jìn)行斷層影像設(shè)備層厚參數(shù)的測量多采用軟件自動測試，降低了人員手工測試的主觀性。軟件自動測試的原理是測量靈敏度剖面線的最大半高寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM），詳見1.3.2。該方法對于傳統(tǒng)超導(dǎo)MRI設(shè)備適應(yīng)性較好。但是近些年，隨著場強(qiáng)的增加及射頻線圈技術(shù)的發(fā)展，使得利用FWHM進(jìn)行測試易出現(xiàn)過估計(jì)或欠估計(jì)的情形，從而導(dǎo)致系統(tǒng)校準(zhǔn)錯誤。

為提高層厚測量的準(zhǔn)確度及實(shí)現(xiàn)層厚非均勻性參數(shù)的測量，需要大量測試結(jié)果[8]，研究準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定性好的層厚測試方法及實(shí)現(xiàn)軟件自動測量顯得尤為必要?；趯ΜF(xiàn)有層厚測試方法及在測試中遇到的多種情形的分析，為提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性、重復(fù)性，降低不確定度，提出多靈敏度剖面線平均及利用一階導(dǎo)尋找測試目標(biāo)物邊界的方法用于層厚測量。

1 原理與方法

1.1 測試工具

常見層厚測試的體模結(jié)構(gòu)有楔形、單一斜面、交叉斜面等構(gòu)造[1-4]。相關(guān)研究工作利用美國體模實(shí)驗(yàn)室的磁共振成像系統(tǒng)測試用Magphan體模，該體模層厚測量結(jié)構(gòu)是利用兩對正交的交叉斜面。交叉斜面結(jié)構(gòu)在斷層掃描下得到的圖像顯示為4個黑色條塊（如圖1所示），斜面結(jié)構(gòu)較寬便于得到更多的測量樣本用于平均[9]。

1.2 層厚測試原理

圖1 正交交叉斜面掃描結(jié)果示意圖

圖2 斷層層厚測量示意圖

圖3 交叉斜面測量層厚原理示意圖

斷層層厚的測量一般是利用斜面結(jié)構(gòu)在圖像中的投影長度進(jìn)行，再根據(jù)斜面傾斜程度得到斷層層厚。如圖2所示，D是斷層的厚度，斜面結(jié)構(gòu)在斷層掃描圖像上的長度為L，斜面與斷層的夾角為α，層厚D與可由下式得到：

多數(shù)體模給出α（獲得正切值），也有的體模給出的是放大因子M（M=L/D=1/tanα），因此層厚D也可利用下式確定：

利用式（1）或式（2）得到的層厚結(jié)果受擺位誤差影響較大。為減少體模擺位給層厚測量帶來的誤差，對于有交叉斜面結(jié)構(gòu)的體模還可以用下式計(jì)算得到斷層層厚[1，3]：

式中：a、b——兩個交叉斜面在圖像上的投影長度（ 即式（ 1）、式（ 2）中的 L）；

θ——兩個斜面的夾角，如圖3所示，θ在體模

設(shè)計(jì)、加工時就已經(jīng)固定，不受擺位的影響。

對于MR圖像上斜面投影長度的測量，目前常見的方法有調(diào)節(jié)窗寬、窗位和靈敏度剖面線等。

1.3 層厚測試方法

1.3.1 方法1：調(diào)節(jié)窗寬、窗位方法

通過測量層厚目標(biāo)物和背景的信號強(qiáng)度確定窗位WL，窗寬WW則設(shè)置為最小窗寬，如下式所示。

式中：S——目標(biāo)物的最大信號強(qiáng)度；

Sb——背景的信號強(qiáng)度。

在此窗寬、窗位下測量目標(biāo)物長度L，再根據(jù)式（ 1）~式（ 3）選取方法得到層厚測量結(jié)果[1-5，9]。

1.3.2 方法2：傳統(tǒng)靈敏度剖面線方法

在待測量的目標(biāo)物上確定直線范圍，得到其靈敏度剖面線（Profile曲線）。如果斜面結(jié)構(gòu)是高信號情形，測量其剖面線的FWHM，即斜面結(jié)構(gòu)在斷層圖像上的投影長度（如圖4所示）；如果斜面結(jié)構(gòu)是低信號情形，則其剖面線是反向的，測量其半高寬度即可。根據(jù)式（ 1）~式（ 3）選取方法得到層厚結(jié)果[1-4，8]。

圖4 利用Profile曲線測量FWHM示意圖

利用Profile曲線方法比調(diào)節(jié)窗寬、窗位的方法測試層厚更加準(zhǔn)確，結(jié)果更加可視化，但是每次只能得到一條曲線結(jié)果，難以實(shí)現(xiàn)樣本量的平均化。

1.3.3 方法3：改進(jìn)的方法

在Profile曲線基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善，通過編制相關(guān)程序自動測試MR圖像上相關(guān)測試結(jié)構(gòu)的Profile曲線，例如圖1中正方形結(jié)構(gòu)上、下、左、右4個黑色條塊。針對每個條塊，可同時得到多條平行Profile曲線的均值曲線（如圖5（a）所示），利用該均值曲線測量FWHM得到層厚結(jié)果（方法3A）。

考慮到MR圖像容易受到圖像均勻性和偽影等因素的干擾，其Profile曲線可能會明顯偏離理想狀態(tài)，導(dǎo)致其半高寬很難測量。常見情形是Profile曲線兩邊背景不一致，當(dāng)背景不一致程度明顯時，不僅對層厚的測量造成很大誤差，而且在臨床上易影響病灶的影像學(xué)表現(xiàn)，從而影響診斷結(jié)果，嚴(yán)重時導(dǎo)致誤診或漏診。分析利用半高寬測量物體長度的原理，可知理想情況下半高位置對應(yīng)其邊緣。為了更好地提取目標(biāo)的邊緣測量其長度，利用多樣本平均的Profile曲線f（x），求其一階導(dǎo)f′（x）測量L從而得到層厚結(jié)果的方法（方法3B）。具體步驟如下：

圖5 改進(jìn)的斷層層厚測量方法原理圖

1）得到某一斜面結(jié)構(gòu)的多條Profile曲線的均值，見圖 5（ a）及下式：

式中n為所用Profile曲線的條數(shù)，即樣本量。

2）求f（x）的一階導(dǎo)，見圖5（b）及下式：

3）尋找 f′（ x）的極大值和極小值，得到極值點(diǎn)坐標(biāo)（即目標(biāo)物邊緣坐標(biāo)）從而得到L值。

4）重復(fù)1）~3）得到其他斜面結(jié)構(gòu)的L值。

5）利用式（3）得到層厚D的測量結(jié)果。

1.4 圖像掃描條件

GE DISCOVERY MR 750磁共振成像設(shè)備，測試時采用常規(guī) SE 序列：TR=600ms，TE=15ms，F(xiàn)OV=25 cm×25 cm，矩陣=256×256，NEX=2，標(biāo)稱掃描層厚=5mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用1.4中所述的掃描條件，分別掃描Magphan體模6次，得到用于層厚測試的圖像，其中一次的掃描結(jié)果見圖6中上、下、左、右4個黑色條塊。方法1、方法2和方法3背景一致和不一致兩種情形的層厚測量結(jié)果（平均值±標(biāo)準(zhǔn)差SD）、圖像均勻性測量方法[8]得到的圖像均勻性結(jié)果及不同層厚測量方法的單因素方差分析結(jié)果（F值）見表1。圖7是利用方法2進(jìn)行層厚測量的結(jié)果。圖8是利用方法3進(jìn)行層厚測量的結(jié)果（6條Profile曲線的均值）。

圖6 Magphan SMR170體模均勻?qū)訄D像

3 分析與討論

針對靈敏度剖面線兩端背景是否一致兩種情形，分別采用了方法1、2、3A、3B進(jìn)行層厚的測量。單因素方差分析的結(jié)果F＜F0.99（3，20）=4.94，表明上述4種方法的測量結(jié)果無顯著性差異，說明改進(jìn)的層厚測量方法和傳統(tǒng)方法均可用于層厚測量。在理想情況下，4種方法的測試結(jié)果完全等效。但由實(shí)驗(yàn)可看出，在實(shí)際應(yīng)用中，4種方法的SD是存在一定差異的。

表1 在不同情形下3種方法的層厚測試相關(guān)結(jié)果

圖7 方法2單條Profile曲線

圖8 方法3多條Profile均值曲線

1）表1顯示方法1在背景一致與不一致情形下，SD均為最大，尤其是層厚測試結(jié)構(gòu)圖像背景不一致時，SD達(dá)到0.41mm。說明通過調(diào)節(jié)窗寬、窗位，測量層厚誤差較大、主觀性明顯，且測量過程耗時較長。面臨Profile曲線兩端背景平臺不一致情形，測試結(jié)果的穩(wěn)定性差，不確定度較大。

2）方法2采用單條直線的Profile曲線進(jìn)行測試，測量結(jié)果受所選直線及噪聲影響較大，有明顯的波動（如圖7所示）。特別地，針對靈敏度剖面線兩端背景不一致的情形，方法2測試結(jié)果中的SD由0.06mm增加到0.46 mm。目前廠家MRI設(shè)備配備的Profile曲線功能多數(shù)都是僅給出曲線圖，半高寬位置需要人為主觀介入進(jìn)行測量，因此與方法1相比較，方法2測量層厚結(jié)果的準(zhǔn)確性、客觀性和測量速度有一定程度的提高。如果方法2在程序上實(shí)現(xiàn)自動測量，可進(jìn)一步降低主觀性并提高速度。當(dāng)方法2面臨Profile曲線兩端背景不一致的情形，半高寬位置的確存在一定困難，這增加了方法2測試過程的難度和測量結(jié)果的不確定度。永磁MRI系統(tǒng)相對于超導(dǎo)MRI系統(tǒng)，其主要缺點(diǎn)是主磁場低、磁場均勻性差，且勻場技術(shù)有限。因此針對永磁MRI系統(tǒng)性能測試時更易出現(xiàn)測試目標(biāo)背景不一致的情形，利用方法2進(jìn)行測試會導(dǎo)致SD明顯增加，甚至出現(xiàn)層厚測量結(jié)果錯誤。

3）方法3是利用多條平行直線的均值Profile曲線（方法3A）得到層厚，或進(jìn)一步利用一階導(dǎo)結(jié)果自動尋找目標(biāo)物邊緣進(jìn)行層厚測試（方法3B）。方法3A在Profile曲線背景一致時的SD為0.02mm，背景不一致時的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.15mm；方法3B在Profile曲線背景一致時的SD為0.01mm，背景不一致時的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.11mm。由此可見多條平行線的利用降低了層厚測量的隨機(jī)誤差，利用一階導(dǎo)結(jié)果自動尋找目標(biāo)物邊緣可進(jìn)一步降低人為誤差、提高測試速度。

4 結(jié)束語

Profile曲線背景的一致性受場非均勻性影響較大，而場非均勻性則受到靜磁場非均勻性、射頻發(fā)射和接收的非均勻性及梯度場性能等多種因素的影響。方法3B利用f′（x）的極值點(diǎn)可反映邊緣信息這一特點(diǎn)，自動尋找目標(biāo)點(diǎn)確定L值用于層厚的測量，提高了測試結(jié)果的客觀性、降低了測試結(jié)果的不確定度，使測試結(jié)果更加真實(shí)可信，尤其是在Profile曲線背景不一致時更易快速準(zhǔn)確尋找測試目標(biāo)兩端的邊緣點(diǎn)。

目前多數(shù)MRI設(shè)備均可提供DICOM格式的圖像數(shù)據(jù)，因此通過編程實(shí)施方法3的層厚測量方法相對于方法1和方法2的測量更加方便、快捷。

在層厚測量中，方法1簡便易行，但是測量誤差較大、測量過程耗時；方法2相對于方法1提高了測試結(jié)果的客觀性和測試速度；方法1和方法2在圖像質(zhì)量較差時測量誤差更加明顯，測試結(jié)果的不確定度也隨之增大。當(dāng)背景一致時使用方法3A進(jìn)行測量既可提高測量質(zhì)量又可節(jié)省測量時間；當(dāng)背景不一致時，使用方法3B進(jìn)行層厚測量效果最佳。方法3相對于方法1和方法2進(jìn)一步降低了人為誤差、方法誤差，其測量結(jié)果更加真實(shí)可靠，結(jié)合其他性能參數(shù)的測試結(jié)果，方法3可更好地評價系統(tǒng)性能。

在進(jìn)行層厚測量時，為更準(zhǔn)確地反映設(shè)備的性能，選取合適、有效的測量方法非常必要。方法3提出的利用多條平行線均值的Profile曲線及一階導(dǎo)自動尋找邊緣點(diǎn)的方法實(shí)現(xiàn)了層厚的客觀、快速、自動測試，降低了人為主觀性影響和隨機(jī)誤差，準(zhǔn)確性好，抗干擾性強(qiáng)，用于層厚測量與評價更為方便、合理，可更好地反映MRI系統(tǒng)的梯度場、射頻場、靜磁場等性能的好壞。

[1]Jackson E F， Bronskill M J， Drost D J， et al.Acceptance testing and quality assurance procedures for magnetic resonance Imaging facilities[J].AAPM Reprot，2010（ 100）：6-17.

[2]Edward F J， Michael J B， Dick J D， et al.Acceptance testing and quality assurance procedures for m agnetic resonance imaging facilities：report of MR subcommittee task group I[J].Medical Physics，2010（ 12）：1-32.

[3]NEMA-MS-5—2010 Determination of Slice thickness in diagnostic magnetic resonance imaging[S].Rosslyn， VA：National Electrical Manufacturers Association，2010.

[4]Chen C C， Wan Y L， Wai Y Y， et al.Quality assurance of clinical MRI scanners using ACR MRI phantom： preliminary results[J].Journal of Digital Imaging，2004，11（ 4）：279-284.

[5]陳武凡，康立麗，馮衍秋，等.MRI原理與技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2012：93-98.

[6]康立麗，楊紹洲，余曉鍔，等.磁共振成像層厚測量技術(shù)及其改進(jìn)[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2001，18（ 2）：83-85.

[7]江玉柱，井賽，徐桓，等.幾種磁共振層厚測量方法探討[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2012，27（ 5）：30-32.

[8]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[S].北京：人民衛(wèi)生出版社，2007：6-17.

[9]張麗媛，康立麗，賀杰禹.MRI性能測試體模設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].中國測試，2015，41（ 1）：67-71.