基于ACR體模的磁共振質(zhì)量控制自動評價系統(tǒng)

官能成，倪 萍，陳自謙

·質(zhì)控與安全·

基于ACR體模的磁共振質(zhì)量控制自動評價系統(tǒng)

官能成，倪 萍，陳自謙

目的：設計基于ACR（American College of Radiology，美國放射學會）體模的磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）質(zhì)量控制自動評價軟件。方法：分析圖像預處理、圖像信噪比、圖像均勻性、空間分辨力、低對比度分辨力、空間線性、層厚等幾個主要的MRI質(zhì)量控制參數(shù)，找到軟件實現(xiàn)方法。結(jié)果：基于MATLAB圖像處理功能可以實現(xiàn)其主要參數(shù)的自動評價。結(jié)論：該軟件的開發(fā)是磁共振質(zhì)量控制自動評價系統(tǒng)的開端，也是質(zhì)量控制自動化的重要組成部分。

MRI；ACR體模；MATLAB；質(zhì)量控制；自動評價

0 引言

與傳統(tǒng)影像檢查相比，磁共振成像具有軟組織顯像清晰、可進行功能顯像、可在任意方向上切層、沒有輻射等特點，在影像診斷中發(fā)揮著越來越重要的作用。磁共振設備雖然已經(jīng)廣泛應用，但是基層醫(yī)院磁共振設備質(zhì)量控制意識卻較薄弱，存在安全隱患[1]。傳統(tǒng)的基于ACR（American College Radiology，美國放射學會）體模的磁共振質(zhì)量控制方法存在2個最主要的問題：（1）檢測煩瑣、費時，掃描與圖像參數(shù)分析一般需要30～40 min，既增加了檢測人員的工作量，又會耽誤患者的正常檢查。（2）常規(guī)磁共振質(zhì)量控制中有很多參數(shù)都依賴于檢測者的主觀判斷，這樣結(jié)果的科學性就會受到很大限制。對質(zhì)量控制有過實際操作的研究者會發(fā)現(xiàn)，用ACR體模進行質(zhì)量控制時真正耗時的不是掃描本身而是數(shù)據(jù)的處理。若能將體模掃描與數(shù)據(jù)處理分開，則能大大地縮短質(zhì)量控制對磁共振設備的占用時間，最大程度地提高效率?；谶@一想法并結(jié)合總后CT遠程質(zhì)量控制方法，本文將給出磁共振質(zhì)量控制自動分析評價系統(tǒng)的具體思路以及部分實現(xiàn)步驟[2]。

1 磁共振質(zhì)量控制現(xiàn)狀

磁共振成像系統(tǒng)還沒有國際通用的質(zhì)量控制標準，雖然國內(nèi)外對磁共振成像質(zhì)量控制的方法都有所闡述[3-4]，但都沒能在實際操作中普及。常用的體模有：（1）符合ACR技術(shù)標準的磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）性能檢測體模，簡稱ACR體模；（2）符合美國醫(yī)學物理學家協(xié)會（American Accademy Pain Medicine，AAPM）技術(shù)標準的MRI性能檢測體模，簡稱AAPM體模。目前，美國磁共振設備常用ACR體模檢測方法進行檢測，該方法也是國內(nèi)常用的檢測方法之一。

2 具體設計思路及部分實現(xiàn)過程

該軟件設計是基于MATLAB 2012b平臺進行設計編寫，可直接對DICOM格式的圖像進行讀取與處理[5-6]，并且能夠詳細地獲取中心頻率、視野（field of view，F(xiàn)OV）、人體特殊吸收率（specific absorption rate，SAR）等重要掃描參數(shù)并自動生成Excel報告。軟件實現(xiàn)過程如圖1所示。

2.1 掃描前的定位與參數(shù)選擇

體模定位請參照ACR質(zhì)量控制指導手冊[7]，選用頭線圈采集。ACR推薦的采集序列是T1WI軸位，11層，SE序列，TR=500 ms，TE=20 ms，F(xiàn)OV=25 cm，層厚為5 mm。層間隔為5 mm，矩陣為256×256，激勵次數(shù)（NEX）=1，接收帶寬（receiver bandwidth，RBW）= 156 Hz/pixel。

圖1 自動評價分析軟件主程序框圖

在整個掃描過程中圖像定位是至關重要的一步，有必要可先預掃描一次，利用第5層圖像進行二次定位。這樣可以更好地保證體模定位的準確性，為質(zhì)量控制的科學性打下良好基礎。其次，在質(zhì)量控制時必須避開廠家的軟件校準，但是部分短磁體設備如果避開廠家失真校正[8]，圖像的質(zhì)量控制根本無法正常進行，這種情況需要打開失真校正再進行質(zhì)量控制。

2.2 圖像預處理

對圖像進行預處理并判斷其定位是否準確，這一步是對質(zhì)量控制本身的評價。如果定位準確，就繼續(xù)處理；如果定位不準確，則提示檢測者定位不準確并判斷質(zhì)量控制不合格，省去了不必要的處理過程。最重要的是提示檢測者，質(zhì)量控制不合格的原因可能是圖像定位問題，對排除設備故障有所幫助。

2.3 圖像信噪比

圖像信噪比（signal to noise ratio，SNR）指圖像中信號強度與噪聲強度的比值。ACR采用信號背景法測量SNR，信號強度為在圖像中央覆蓋75%的信號區(qū)域的信號均值，噪聲為周圍無偽影背景區(qū)域信號強度的標準差。則SNR為

式中，S為圖像信號強度的平均值，SD為噪聲標準差。標準差計算公式為

式中，Xi為矩陣中對應i位置像素的灰度值，為噪聲區(qū)域每個像素灰度的平均值。

軟件實現(xiàn)如圖2所示。

圖2 圖像信噪比程序流程圖

2.4 圖像均勻性

圖像均勻性是指磁共振成像系統(tǒng)在整個均勻掃描體產(chǎn)生恒定信號的能力。測量圖像中包含中心區(qū)域80%體模面積像素信號的最大值Smax與最小值Smin，則圖像均勻性（U）計算公式為

軟件實現(xiàn)如圖3所示。

圖3 圖像均勻性程序流程圖

2.5 空間分辨力

空間分辨力是指單個組織體素的大小，反映了圖像細節(jié)的可辨力。最常用的分辨力測量就是觀測評估測量法。這種方法對檢測者的影響較大，同一幅圖像不同檢測者，甚至同一檢測者在不同時刻所得到的結(jié)果可能會有差別。為避免以上情況，對空間分辨力的檢測使用調(diào)制傳遞函數(shù)（modulation transfer function，MTF）進行評估。磁共振成像設備在成像方式上與CT、X線機相比有所不同，其MTF的計算也相對更復雜。一般使用邊緣擴展函數(shù)（edge spread function，ESF）的方法計算MTF，因為利用ESF的方法信噪比相對線和點更大[9]。

MTF可定義為

式中，X為空間位置信息，F(xiàn)T為傅里葉變換，f為空間頻率信息，LSF（line spread function）為線擴展函數(shù)。線擴展函數(shù)定義為

式中，f為空間頻率信息，xi為對應矩陣i位置的像素灰度值，xi-1為i-1位置的像素灰度值。其中，ESF可用多項式擬合或者費米函數(shù)擬合，有學者研究表明費米函數(shù)擬合效果較好[10]，本軟件利用三階費米函數(shù)擬合ESF。

費米函數(shù)定義為

式中，D為常數(shù)，ai、bi、ci為對應系數(shù)，xi為對應i位置的像素灰度值。

軟件實現(xiàn)如圖4所示。

圖4 空間分辨力評估程序流程圖

2.6 低對比度分辨力

低對比度分辨力是指磁共振成像設備對信號大小相近物體的分辨能力，也反映組織的對比度——載噪比（carrier noise ratio，CNR）[11]。

式中，S1、S2分別是2種組織信號值，SD是噪聲標準差的平均值。

ACR檢測方法通過輪輻的識別與計數(shù)實現(xiàn)。在軟件實現(xiàn)時考慮這2種方式同步進行。

軟件實現(xiàn)如圖5所示。

圖5 低對比度分辨力評估程序流程圖

2.7 空間線性

空間線性是指描述任何MR系統(tǒng)所產(chǎn)生圖像幾何形變的能力。幾何形變（geometri distortion，GD）可定義為

式中，D真為體模真實長度，D測為體模測量長度。軟件實現(xiàn)如圖6所示。

圖6 空間線性評估程序流程圖

2.8 層厚

層厚是指成像層面在成像空間第三維方向上的尺寸，表示一定厚度的掃描層面，對應一定范圍的頻率帶寬，即為成像層面靈敏度剖面線的半高全寬度（full width at half－maximum，F(xiàn)WHM）。

軟件實現(xiàn)：軟件自動設置閾值時圖像成為如圖7所示圖像，此時需要檢測者依照ACR質(zhì)量控制指導手冊利用軟件自帶測量工具測量上下2個斜坡的長度，將其輸入，則軟件將自動輸出層厚[12]。

圖7 層厚評估示意圖

層厚計算公式為：式中，T為層厚；L頂為頂信號坡度的長度；L底為底信號坡度的長度。

3 輸出報告

將之前所得到的圖像質(zhì)量控制結(jié)果輸出到Excel中，畫出圖表形成最終的質(zhì)量控制報告，如有必要可進行遠程傳輸，實現(xiàn)MRI系統(tǒng)的遠程質(zhì)量控制。對于原始數(shù)據(jù)可建立相應的數(shù)據(jù)庫，不僅方便存檔，還可以進行設備穩(wěn)定性的相關性研究。

4 討論

本文基于ACR體模對磁共振質(zhì)量控制自動評價的實現(xiàn)已經(jīng)做出非常詳細的闡述。在圖像定位掃描中提出二次定位，在對部分短磁體設備質(zhì)量控制時提出打開失真校正，以及最終以Excel報告及數(shù)據(jù)庫的形式輸出質(zhì)量控制結(jié)果，這些都是具有一定建設性的意見，希望能對以后的研究者有所幫助。當然，本文介紹的軟件還存在以下不足：

（1）MATLAB平臺本身存在較大的局限性，在界面編寫、文件轉(zhuǎn)換與處理以及運算速度方面均不如VC＋＋，如果以后的研究者希望在這些方面改進可以考慮利用VC＋＋編程實現(xiàn)或者使用混合編程方式實現(xiàn)[13]。

（2）此軟件的一些檢測方法是基于ACR質(zhì)量控制指導手冊以及磁共振質(zhì)量控制指導手冊，在一些參數(shù)評估的算法方面并不能做到很好的科學性，有些僅僅是考慮如何將功能實現(xiàn)，所以還有很大改進空間。例如，在判斷體模定位是否準確時閾值的選取以及去除圖像偽影部分時閾值的選取，都需要深入研究才更具備科學性。

（3）ACR體模在層厚檢測方面對定位要求非常嚴格，有時即使圖像定位準確也較難進行層厚的測量。由于暫時沒有一種行之有效的方法自動檢測層厚，本軟件也沒有設計層厚自動檢測功能，能做的僅僅是依據(jù)ACR檢測指導手冊半自動檢測層厚。

5 結(jié)語

在磁共振圖像質(zhì)量控制中，利用自動評價系統(tǒng)既能夠保證其結(jié)果的科學性，又能節(jié)約大量時間，更重要的是對磁共振質(zhì)量控制的普及有很大推進作用。相比于觀測評估法，利用軟件自動評價更加容易制定標準并最終形成規(guī)范，這對磁共振質(zhì)量控制的規(guī)范化也能起到促進作用?？梢哉f自動評價系統(tǒng)是磁共振質(zhì)量控制發(fā)展的趨勢所在。

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（收稿：2014-10-10 修回：2015-02-10）

MRI quality control auto evaluation system based on ACR phantom

GUAN Neng-cheng1,2,NI Ping1,CHEN Zi－qian3
(1.Department of Medical Engineering,Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Area Command,Fuzhou 350025, China;2.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China;3.Department of Medical Imaging,Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Area Command,Fuzhou 350025,China)

ObjectiveTo design a MRI quality control auto evaluation software based on ACR phantom.MethodsSome MRI quality control parameters were analyzed to develop the software,including image preprocessing,image signal to noise ratio,image uniformity,spatial resolution,low-contrast resolution,spatial linearity and slice thickness.ResultsThe auto evaluation of the key parameters was implemented based on Matlab image processing.ConclusionThe software lays a foundation for MRI quality control auto evaluation system,and also is an important component of the quality control aumation.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（8）：95-97，112]

MRI;ACR phantom;Matlab;quality control;auto evaluation

R318；TH774

A

1003-8868（2015）08-0095-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.08.095

軍事醫(yī)學計量專項課題（2011－JL2－014）

官能成（1991—），男，研究方向為磁共振質(zhì)量控制自動評價軟件，E-mail：749915312@qq.com。

350025福州，南京軍區(qū)福州總醫(yī)院醫(yī)學工程科（官能成，倪 萍），醫(yī)學影像科（陳自謙）；710032西安，第四軍醫(yī)大學生物醫(yī)學工程學院（官能成）

倪 萍，E-mail：511091680@qq.com