基于ACR體模的磁共振層厚自動測量

官能成，倪萍，陳自謙，李威

1.南京軍區(qū)福州總醫(yī)院 a.醫(yī)學(xué)工程科；b.醫(yī)學(xué)影像科，福建 福州350025；2.解放軍73131部隊醫(yī)院，福建 漳州 363113

基于ACR體模的磁共振層厚自動測量

官能成1a,2，倪萍1a，陳自謙1b，李威1a

1.南京軍區(qū)福州總醫(yī)院 a.醫(yī)學(xué)工程科；b.醫(yī)學(xué)影像科，福建 福州350025；2.解放軍73131部隊醫(yī)院，福建 漳州 363113

本文設(shè)計了基于ACR體模的磁共振層厚自動測量軟件，通過分析傳統(tǒng)測量的原理，找到了自動測量的方法。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，利用MATLAB圖像處理功能可實(shí)現(xiàn)層厚的自動測量。該軟件的開發(fā)是實(shí)現(xiàn)磁共振圖像質(zhì)量控制自動評價軟件的關(guān)鍵一步，對磁共振質(zhì)量控制自動評價系統(tǒng)具有重要意義。

磁共振；ACR體模；質(zhì)量控制；層厚；自動測量

我國磁共振成像設(shè)備的引進(jìn)及其臨床應(yīng)用的開發(fā)幾乎與國際同步。然而，在國內(nèi)人們對磁共振質(zhì)量保證和質(zhì)量控制的意義認(rèn)識不夠深刻，技術(shù)的穩(wěn)定和圖像質(zhì)量控制得不到保障[1]，臨床一線很少有專門從事質(zhì)量保證和質(zhì)量控制的工程師，導(dǎo)致設(shè)備性能甚至是病人安全無法保證。傳統(tǒng)的磁共振質(zhì)量控制方法費(fèi)時費(fèi)力，一般需要半小時以上，其檢測結(jié)果受到檢測者主觀因素影響，科學(xué)性受到很大限制。傳統(tǒng)方法的局限性與磁共振日常工作量的矛盾尤為突出，最終讓很多醫(yī)院不得不放棄磁共振日常質(zhì)量控制[2]。從事質(zhì)量控制和區(qū)域巡檢的工作人員迫切需要磁共振質(zhì)量控制自動評價分析系統(tǒng)[3-4]，對質(zhì)量控制圖像進(jìn)行自動評價和分析，可使質(zhì)量控制工作方便快捷，排除檢測者主觀臆斷。在這種自動評價系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中，層厚測量過程較為復(fù)雜，測量精度要求較高，對圖像質(zhì)量要求最為嚴(yán)格，成為自動評價系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的一大難點(diǎn)。本文將給出層厚測量原理和一種自動檢測層厚的方法及其改進(jìn)方法，以期為相關(guān)研究者提供設(shè)計思路。

1 材料與方法

實(shí)驗材料：醫(yī)用磁共振成像設(shè)備（型號：Trio Tim 3T，制造商：Siemens）；ACR體模（型號：J7332，制造商：J.M.SPECIALTY PARTS）（直徑190 mm，高148 mm，內(nèi)部填充10 mm氯化鎳和75 mm氯化鈉溶液）、12通道頭矩陣線圈（型號：HEADER，制造商：Siemens）[5]。

實(shí)驗方法：① 根據(jù)ACR指導(dǎo)手冊對ACR體模進(jìn)行正確擺位（圖1a）；② 掃描體模定位像可得到體模矢狀位圖像（圖1b）；③ 將掃描參數(shù)設(shè)定為：T1WI軸位，11層，SE序列，TR=500 ms，TE=20 ms，F(xiàn)OV=25 cm，層厚5 mm，層間隔5 mm，矩陣為256×256，激勵次數(shù)（NEX）=1，RBW=156 HZ/pixel[6]，并按照圖1b所示調(diào)整好11層軸位圖像位置（圖1c）。

圖1 實(shí)驗數(shù)據(jù)采集過程

掃描結(jié)束后得到11層軸位圖像，利用第1層圖像即可進(jìn)行層厚的自動評價。

對Siemens 3.0T MR進(jìn)行5次ACR質(zhì)控檢測，將檢測結(jié)果分別用自編程序進(jìn)行層厚測量，同時在SYNGO后處理工作站上用傳統(tǒng)人工進(jìn)行測量，比較測量結(jié)果和所用的時間。

2 層厚測量原理與方法

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(yīng)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值（Full Width at Half－Maximum：FWHM）[7]。

2.1 通用方法——半高全寬值

一般利用斜板法信號強(qiáng)度曲線的半高全寬值來確定掃描層厚，其原理見圖2。

圖2 層厚測量原理示意圖

根據(jù)圖2的示意以及層厚的定義，可以得到層厚計算公式為：

其中，F(xiàn)WHM為成像層面靈敏度剖面線的半高全寬值即層厚；α為斜板與層面的夾角；W為斜板的層厚測量值。

2.2 ACR體模層厚測量原理及方法

磁共振成像系統(tǒng)尚未有國際通用的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)常用的質(zhì)量控制體模有ACR體模和SMR170體模?；贏CR體模進(jìn)行層厚的傳統(tǒng)測量方法是采用兩塊交叉斜板進(jìn)行層厚測量，其原理見圖3[8]。

圖3 ACR體模層厚測量原理示意圖

ACR體模中α約為5.71°采用的是計算兩交叉斜板測量值近似幾何平均數(shù)的方法得到層厚，其層厚計算公式為：

其中，L1為ACR體模中上斜板的層厚測量值；L2為ACR體模中下斜板的層厚測量值。

ACR體模利用交叉斜板進(jìn)行層厚測量相對其他方法更加簡單易行、受噪聲影響較小，是一種較好的層厚測量方法[9]。利用ACR體模，通過計算兩塊斜板測量值的幾何平均數(shù)，還可以很好的減少體模旋轉(zhuǎn)帶來的測量誤差[10]。

根據(jù)ACR指導(dǎo)手冊，傳統(tǒng)檢測方法操作步驟如下：

（1）選擇第一層，將圖像放大2～4倍，大幅度降低窗位，將顯示窗寬調(diào)窄并在每個信號坡度正中設(shè)置一個矩形感興趣區(qū)域，見圖4a。

圖4 手動測量層厚示意圖

（2）分別記下兩個感興趣區(qū)域（ROI）的平均信號值，然后求出他們的平均值，所得的結(jié)果近似于斜坡正中的平均信號值，也可以用一個橢圓的感興趣區(qū)代替矩形ROI。

（3）減小窗位到步驟2中計算值的一半，并調(diào)節(jié)窗寬到合適值。用系統(tǒng)自帶的長度測量工具測量斜坡的長度，記下測量數(shù)據(jù)，見圖4b。

（4）根據(jù)計算公式得到層厚。層厚測量結(jié)果的范圍必須是（5.0±0.7）mm。

需要注意的是，進(jìn)行以上測量時，需確保ROI完全在坡度區(qū)域內(nèi)，不允許覆蓋與感興趣區(qū)毗鄰的高信號區(qū)域。若兩個ROI區(qū)域測得的信號均值有很大的差別且差異超過20%，則可能是由于其中一個或兩個ROI覆蓋了斜坡范圍以外的區(qū)域，此時需要重新劃定ROI區(qū)域。

2.3 自編軟件層厚測量方法

（1）基于ACR體模的層厚測量原理，結(jié)合MATLAB 2012b平臺中的圖像處理功能，在ACR體模掃描圖像中截取層厚測量模塊，根據(jù)相對位置確定ACR體模中交叉斜板所在位置，圖5(a)中藍(lán)線即軟件識別兩斜坡所在位置。

（2）確定斜坡所在位置后，利用MATLAB中improfle函數(shù)即可繪制斜坡的信號剖面線，見圖5(b)和5(c)。

圖5 交叉斜板位置及信號

（3）利用自編軟件分別檢測兩塊斜板信號剖面線的半高值所對應(yīng)兩像素的位置，之后分別計算兩像素的距離作為其層厚測量值，帶入公式即可得到層厚。

2.4 自編軟件層厚測量方法改進(jìn)

磁共振質(zhì)量控制中幾何畸變也是對層厚測量影響較大的因素之一，為此有研究者提出考慮幾何畸變的交叉斜面法。即首先確定圖像幾何畸變，再進(jìn)行層厚測量，利用幾何畸變對測量結(jié)果進(jìn)行修正，最后將修正結(jié)果帶入交叉斜面計算公式得到層厚[11]。

對層厚測量影響最大的是水平方向上的幾何畸變，首先利用自編軟件自動獲取ACR體模掃描圖像中第7層圖像，并對體模的水平方向進(jìn)行自動測量（圖6）。

圖6 測量體模水平方向的長度

根據(jù)體模水平方向長度的測量值，帶入幾何畸變計算公式即可得到水平方向上的幾何畸變：

其中，GD為幾何畸變；D真為體模實(shí)際長度；D測為圖像中體模的測量長度。

得到圖像幾何畸變后，將幾何畸變帶入交叉斜面層厚計算公式進(jìn)行修正，可得到以下公式：

其中，L1為ACR體模中上斜板的層厚測量值；L2為ACR體模中下斜板的層厚測量值；GD為幾何畸變。

3 結(jié)果與討論

進(jìn)行5次實(shí)驗后，分別利用3種方法對層厚進(jìn)行測量，實(shí)驗結(jié)果，見表1～2。

表1 三種方法測量所用時間對照（s）

通過上述實(shí)驗數(shù)據(jù)，利用秩和檢驗法可以得出，軟件測量方法與手動測量方法在所用時間上具有顯著的統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05）；軟件改進(jìn)方法與手動測量方法在所用時間上也具有顯著統(tǒng)計學(xué)差異（P＜0.05）；軟件測量方法與軟件改進(jìn)方法間無明顯統(tǒng)計學(xué)差異（表1）。

表2 三種方法測量結(jié)果對照（mm）

通過上述實(shí)驗數(shù)據(jù)，利用秩和檢驗法可以得出，軟件測量層厚與手動測量層厚無顯著統(tǒng)計學(xué)差異；軟件改進(jìn)法測量層厚與軟件測量層厚無明顯統(tǒng)計學(xué)差異；軟件改進(jìn)法測量層厚與手動測量層厚無明顯統(tǒng)計學(xué)差異（表2）。

由統(tǒng)計學(xué)結(jié)果可知，軟件方法可以取代手動測量方法進(jìn)行層厚測量。由于軟件改進(jìn)方法在一定意義上消除了幾何畸變對層厚測量的影響，所以能夠更為真實(shí)的反映實(shí)際層厚。

本文基于ACR體模對層厚的自動測量進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并結(jié)合前人研究，利用MATLAB實(shí)現(xiàn)了考慮幾何畸變交叉斜面法的自動化測量，為磁共振質(zhì)量控制自動評價系統(tǒng)的建立提供了建設(shè)性意見，希望能對相關(guān)研究者有所幫助。本文所介紹的方法也存在以下不足：

（1）考慮幾何畸變交叉斜面的自動測量方法，雖然降低了幾何畸變以及體模擺位不正對層厚測量的影響，但噪聲對層厚測量的影響沒有考慮在內(nèi)。如果需要改進(jìn)可針對噪聲抑制進(jìn)一步完善層厚自動測量。

（2）此軟件基于MATLAB平臺，可進(jìn)行界面設(shè)計，也可進(jìn)行批量數(shù)據(jù)處理，但在接口方面以及計算速度方面存在不足。研究者若需要系統(tǒng)化開發(fā)與應(yīng)用，建議使用C++平臺。

4 結(jié)語

磁共振質(zhì)量控制的自動評價尤其是遠(yuǎn)程質(zhì)量控制系統(tǒng)的建立將成為主流，利用自動評價系統(tǒng)一方面能夠節(jié)約大量時間、人力、物力甚至是財力，另一方面有利于磁共振質(zhì)量控制的普及并形成規(guī)范。層厚自動測量的實(shí)現(xiàn)解決了磁共振質(zhì)量控制自動評價的一個難點(diǎn)，并為其他參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動測量提供了一定的設(shè)計思路，對最終實(shí)現(xiàn)磁共振自動評價系統(tǒng)具有重要意義。

[1]袁子龍,張照喜,邱建峰,等.基于ACR體模的磁共振射頻線圈性能的對比[J].中國醫(yī)療設(shè)備,2015,30(1):100-103.

[2]徐桓,趙慶軍,張秋實(shí).一種磁共振成像裝置質(zhì)量控制測試體模的研制[J].中國醫(yī)學(xué)裝備,2014,(10):83-85.

[3]李成,葛劍徽.MRI質(zhì)量檢測圖像參數(shù)自動評價系統(tǒng)的設(shè)計分析[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2013,34(10):25-34.

[4]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,2013,27(5):30-32.

[5]American College of Radiology.Phantom Test Guidance for the ACR MRI Accreditation Program[M].Reston:American College of Radiology,2005.

[6]Ihalainen T,Sipil? O,Savolainen S.MRI quality control:six imagers studied using eleven unifed image quality parameters[J].Eur Radiol,2004,14(10):1859-1865.

[7]石明國.醫(yī)學(xué)影像技術(shù)學(xué)影像設(shè)備質(zhì)量控制管理卷[M].北京:人民衛(wèi)生出版社,2011:118-131

[8]Sewonu A,Hossu G,Felblinger J,et al.An automatic MRI quality control procedure:Multisite reports for slice thickness and geometric accuracy[J].IRBM,2013,34(4–5):300-305.

[9]徐桓,趙慶軍,潘世越,等.不同磁共振層厚測試體模與測試方法的比較研究[J].中國醫(yī)學(xué)裝備,2013,10(12):42-43.

[10]YY/T 0482-2010,國家食品藥品監(jiān)督管理局.醫(yī)用成像磁共振設(shè)備主要圖像質(zhì)量參數(shù)的測定[S].

[11]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.

Automatic Evaluation of MRI Slice Thickness Based on ACR Phantom

This paper designed an automatic evaluation software of MRI slice thickness based on the American Center of Radiology (ACR) phantom.By analyzing traditional measuring principles,the research identified a method for automatic evaluation.The results showed that slice thickness can be automatically evaluated by using MATLAB (matrix laboratory) image processing functions.The development of the software was a critical step in the process of realizing MRI automatic quality control and was of great signifcance to the MRI automatic quality control system.

magnetic resonance imaging;ACR phantom;quality control;slice thickness;automatic evaluation

GUAN Neng-cheng1a,2,NI Ping1a,CHEN Zi-qian1b,LI Wei1a
1.a.Department of Biomedical Engineering;b.Department of Medical Imaging,Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Command,Fuzhou Fujian 350025,China；2.PLA 73131 Army Hospital,Zhangzhou Fujian 363113,China

R445.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.04.007

1674-1633(2016)04-0036-04

2015-09-30

2015-11-26基金項目：軍事醫(yī)學(xué)計量專項課題（2011－JL2－014）。

倪萍，主任，高級工程師，研究方向：磁共振成像質(zhì)量控制。

本文作者：官能成，73131部隊醫(yī)院技師。

通訊作者郵箱：511091680@qq.com