MRI成像裝置通道數(shù)驗收鑒定的研究

曹 輝，曹厚德

1 上海申康醫(yī)院發(fā)展中心資產監(jiān)管部，上海市，200041

2 上海靜安區(qū)中心醫(yī)院放射科，上海市，200063

MRI成像裝置通道數(shù)驗收鑒定的研究

【作 者】曹 輝1，曹厚德2

1 上海申康醫(yī)院發(fā)展中心資產監(jiān)管部，上海市，200041

2 上海靜安區(qū)中心醫(yī)院放射科，上海市，200063

該文驗證磁共振射頻系統(tǒng)實際通道數(shù)與廠商標稱通道數(shù)的符合性及考察其對磁共振成像性能的影響。同時通過檢測通道數(shù)增加與MRI系統(tǒng)圖像噪聲水平和對成像重建速度的關系，驗證MRI射頻系統(tǒng)接收通道數(shù)的多少與MRI信噪比、掃描時間等密切相關。

磁共振；射頻通道；線圈；模擬接收機

0 引言

當前，磁共振成像技術（Magnetic Resonance Imaging，MRI）已成為醫(yī)學影像診斷學檢查的重要技術。其成像原理、設備結構乃至臨床應用均涉及數(shù)學、物理、工程技術等多學科的知識[1]，在為數(shù)眾多的相關領域專家的共同努力下，MRI設備性能不斷提高，應用也日益廣泛。在MRI成像設備性能提高的諸多途徑中，MRI設備射頻系統(tǒng)通道數(shù)的增加是一個重要技術手段。MRI設備射頻系統(tǒng)通道數(shù)從8通道、16通道、24通道，目前已發(fā)展至48通道及更高。特別是陣列線圈廣泛使用后，對于系統(tǒng)通道數(shù)的要求日益提高。通道數(shù)的多少與信噪比、掃描時間及掃描范圍等密切相關。

20世紀90年代初，Roemer[2]利用容積線圈和表面線圈各自的優(yōu)點，設計出陣列線圈。陣列線圈利用小線圈采集各個區(qū)域的信號，相比于大線圈，對于各個局部區(qū)域而言，線圈的靈敏度更高。在經(jīng)過線圈去耦和噪聲去相關之后，將各個小線圈采集的信號模值進行加權求和，獲得最終的磁共振信號，信噪比顯著提高。一般而言，覆蓋同樣面積區(qū)域的線圈通道數(shù)越多，信噪比越高。

MRI設備成像速度慢一直是這項技術的最大瓶頸。以往，科學家在靜磁場的場強、梯度場的場強與切換率、以及快速成像序列這三個方面著手提高成像速度，但出于對人體安全考慮，MRI設備硬件提升受到諸多限制。多通道采集技術和并行成像技術使得采集時間可以大大縮短，多通道并行成像技術利用陣列線圈單個通道的空間敏感度差異來編碼空間信息，使得原來利用梯度來編碼空間位置的步數(shù)大大減少，甚至可以替代所有的相位編碼[3]。當然敏感度編碼和梯度編碼相結合是現(xiàn)在并行成像的主流，主要的方法有基于K空間的SMaSH方法[4]和基于圖像域的SeNSe[5]方法。一般而言，通道數(shù)越多，能夠減少的梯度編碼步數(shù)就越多，掃描時間也就越少。

因此，射頻接收通道數(shù)的多少與MRI系統(tǒng)的性能密切相關。因此，MRI系統(tǒng)通道數(shù)的檢測成為MRI設備驗收的重要環(huán)節(jié)。

1 MRI系統(tǒng)射頻接收鏈路與通道數(shù)的關系

射頻接收鏈路是MRI系統(tǒng)中極為重要的組成部分，關乎磁共振成像的信噪比的高低，也是多通道的具體體現(xiàn)。從人體被激發(fā)出MRI信號開始，到最終形成圖像，需要經(jīng)過多級鏈路。

人體產生的MRI信號是射頻信號，頻率與所處的磁場強度相關。射頻信號首先被多通道線圈的各個通道接收到，因為變化的磁場在調諧的線圈中感生出電壓[6]。感生出的射頻信號幅值極其微小，在傳輸過程中很容易受到外來干擾以及長線纜的衰減。因此在將其傳輸出掃描間之前，需要通過低噪聲前置放大器放大。放大后的各個通道的射頻信號，經(jīng)過接收通道選擇單元，分配給不同的長線纜，傳輸出掃描間。

多路射頻信號被同時引入到設備間模擬接收機的各個通道上，模擬接收機中的aDc單元再將射頻模擬信號轉換為數(shù)字信號。處理得到的數(shù)字信號再經(jīng)過高速光纖傳遞給數(shù)字接收機，經(jīng)過數(shù)字接收機對數(shù)字信息進行處理之后，就得到各個通道的磁共振原始數(shù)據(jù)，存儲到圖像重建計算機中。圖像重建計算機將會利用這多個通道的數(shù)據(jù)，利用重建算法及相關處理，得到最終的磁共振圖像。

圖1 典型的磁共振系統(tǒng)射頻接收鏈路示意圖Fig.1 Typical magnetic resonance system RF receiving link diagram

上述鏈路中，從多通道接收線圈到最終產生MRI圖像，想查驗系統(tǒng)能夠達到的最大通道數(shù)，有許多方法可以實現(xiàn)。受MRI生產廠商開放權限限制，許多可檢測設備通道數(shù)的方法受限，現(xiàn)有條件下，可從兩方面校驗通道數(shù)：一是通過分通道存儲圖像來查看實際使用的通道數(shù)；二是查看位于設備間電子機柜中的模擬接收機，因為機柜一般允許查看。而將兩種方法結合，則查驗MRI通道數(shù)更為有效。

此外，MRI通道數(shù)的多少，并不僅僅體現(xiàn)數(shù)字的多少，背后往往代表著對MRI系統(tǒng)整體軟硬件提升提出更高的要求。如對于多通道成像MRI系統(tǒng)，各通道的噪聲水平及應用多通道重建圖像的速度也是值得測試的指標。

2 MRI通道數(shù)的檢測

2.1 通過分通道成像檢測通道數(shù)

通過圖像的方式來驗收通道數(shù)是一種簡單直觀的方式，使用的是MRI系統(tǒng)本身能夠提供分通道存儲功能。實驗采用上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司的型號為uMR 560的1.5 T超導磁共振系統(tǒng)，配置為24獨立射頻接收通道。檢測步驟如下：

(1) 采用兩個已知6通道的體線圈（Body array coil，Bac）與24通道的脊柱線圈（Spine array coil，SPc）的前12個通道，與能產生MRI信號的水模組合，制成可獨立接收24個射頻信號的測試裝置，結構見圖2。

圖2 24通道測試裝置Fig.2 24 channels testing device

(2) 將測試裝置擺放于掃描床，使用激光燈定位到水模中心，送入磁場，在軟件界面上選擇分通道存儲功能，見圖3。

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圖3 通道獨立存儲選擇界面Fig.3 channel independent storage selection interface

(3) 在界面上選擇兩個體線圈及脊柱線圈的前四段作為射頻信號接收部分，這里一個單元包含三個通道，選擇3×8共24個通道，見圖4。進行序列掃描，并將結果在視窗中展現(xiàn)出來，見圖5。

查看24個通道，在同一窗寬窗位下，如果信號的亮度水平?jīng)]有太大變化，那么可以認為標稱的通道數(shù)是正確的。同時，由于各個線圈接收單元的空間位置差異，可以看到在分通道存儲的水模圖像上看到亮度和SNR的變化。

作為對比，圖6是某德國廠商生產的MRI系統(tǒng)的16通道的獨立通道存儲的圖像。

圖4 線圈單元選擇界面Fig.4 coil unit selection interface

圖5 通道獨立存儲的磁共振圖像Fig.5 Magnetic resonance imaging of channel storage

圖6 某德國廠商的16通道獨立存儲的磁共振圖像Fig.6 a German manufacturer of 16 channel independent storage magnetic resonance imaging

2.2 通過模擬接收機驗收通道數(shù)

根據(jù)前文的描述，模擬接收機是將多個通道的模擬信號轉換為數(shù)字信號的器件，如果要保證同時采集多個通道的數(shù)據(jù)，那么模擬接收機的最大通道數(shù)和系統(tǒng)標稱的最大通道數(shù)是相等的。因此可以簡單地打開電子機柜的門，查看模擬接收機的通道數(shù)，見圖7。

圖7 模擬接收機的通道數(shù)Fig.7 Simulation of the receiver channel number

從圖7可見，模擬接收機共有三塊，每塊8個通道，共有24個接收通道，與廠家標稱的24接收通道相符。

實際檢測時，可將上述兩種方法結合，將模擬接收機的信號線，隨意拔掉幾根，進行通道獨立存儲掃描。分通道查看受影響的通道數(shù)與拔掉信號線的個數(shù)是否相等，進一步確認這些接收通道是真正被使用到的。如圖8，拔掉3根信號線后，系統(tǒng)掃描共顯示24幅圖，其中有3個通道沒有采集到信號，與被拔掉的通道數(shù)相符。

圖8 拔掉三根信號線后通道獨立存儲的磁共振圖像Fig.8 Unplug after three root signal channel independent storage magnetic resonance imaging

通常，如設備系統(tǒng)穩(wěn)定，拔除模擬信號輸入電纜不會導致設備故障，此法也常用于排查系統(tǒng)故障。

圖9 某德國廠商機器拔掉兩根信號線后通道獨立存儲的MRI圖像Fig.9 a German manufacturer machine unplug after two signal channels independent storage of MRI images

作為對比，圖9是在某德國廠商生產的MRI系統(tǒng)的模擬接收機上拔掉兩根信號線，所得的16獨立通道存儲圖。

2.3 通過噪聲水平檢測通道數(shù)

如前文所說，通道數(shù)的增加不僅僅體現(xiàn)在數(shù)字上。通道數(shù)增加的同時，保證這些通道的噪聲水平一致，是保證MRI圖像清晰的重要條件之一。通道噪聲水平的大小會受接收線圈本身影響，不同線圈的噪聲水平會有不同。檢測時，可請廠商工程師協(xié)助，確定不同線圈對應模擬接收機的通道，如果沒有覆蓋所有通道的線圈，則可采用通道數(shù)較多的線圈，分別檢測。

目前應用的MRI系統(tǒng)，頭頸聯(lián)合線圈（Head & Neck coil, HNc）和脊柱線圈通道數(shù)較多。而且因為存在HNc線圈和脊柱線圈聯(lián)合使用的情況，故它們使用的模擬接收機通道也不同。可用這兩個線圈分別檢測通道噪聲水平。

以頭頸聯(lián)合線圈為例：該線圈共有16個通道，使用MRI系統(tǒng)中掃描噪聲的序列進行掃描（不發(fā)射射頻脈沖，只采集信號）。檢測中，如前同樣勾選通道獨立存儲模式，掃描結束后，查看采集的各通道噪聲圖像，并使用工具讀取感興趣區(qū)域的最大、最小值、均值和標準差（SD）值，比較各個通道之間的差別，查看是否有明顯差異，見圖10。

圖10 通道噪聲水平檢測Fig.10 channel noise level detection

2.4 通過圖像重建速度檢測通道數(shù)

MRI系統(tǒng)多通道成像的目的之一，是為了減少掃描時間。但隨著通道數(shù)的增加，系統(tǒng)計算機處理的數(shù)據(jù)也隨之增加，這對于重建計算機以及重建算法都是不小的考驗。

檢測時，使用3D成像序列檢測系統(tǒng)重建速度，選擇并行采集，使用一些常規(guī)的后處理功能，如圖像濾波。再按照用滿所有通道數(shù)的方式擺放線圈，也可選擇使用前文制作的24通道測試裝置，或其他線圈組合。先使用標稱通道數(shù)的一半通道成像，計算3D序列掃描完到所有層面的數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)出來的時間t1。然后使用標稱通道數(shù)進行成像，按照同樣的方法計算圖像重建時間t2，如果t2 = 2×t1，說明通道數(shù)的增大，并沒有影響系統(tǒng)重建速度，如果不是，說明通道數(shù)增加后，系統(tǒng)重建性能降低。

此外，還可修改序列參數(shù)，如增加層數(shù)和層面矩陣大小，觀察滿通道使用下，是否出現(xiàn)內存耗盡等問題。

3 討論

本文針對MRI系統(tǒng)通道數(shù)的驗收和鑒定，從通道數(shù)與性能的關系，到常規(guī)射頻接收鏈路的構成出發(fā)，總結出兩種驗收通道數(shù)的方法。

方法之一為使用標稱最大通道數(shù)的線圈組合，通過成像軟件的通道獨立存儲的功能，將各個通道采集到的MRI信號，分別重建出MRI圖像，然后查看各個通道圖像的信號水平，確定使用的通道數(shù)與標稱相符。

方法之二為直接查看MRI系統(tǒng)設備間電子機柜中模擬接收機的通道數(shù)，觀察是否與標稱的最大通道數(shù)相符。還可進一步在前一種方法的基礎上，拔掉某些通道線纜，重新進行掃描成像，查看沒有信號的通道數(shù)是否與拔掉的線纜數(shù)相符。

鑒于通道數(shù)的增加會對系統(tǒng)帶來更大的壓力，因此在驗收通道數(shù)的同時，必須對各通道的噪聲水平進行監(jiān)測、也需要對重建速度等進行測試，以確保通道數(shù)的增加沒有造成MRI整體性能的下降。

綜上，本文描述的驗收鑒定方法只針對目前在用大部分的MRI系統(tǒng)。對部分采用特殊技術的MRI系統(tǒng)，如在接收線圈中直接進行模/數(shù)轉換，數(shù)字信號通過光纖傳出掃描間的，這種設計仍可采用通道獨立存儲的方式進行驗收鑒定，但通過模擬接收機檢測的方法則不再適用。

[1] 俎東林. 核磁共振成像學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

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[6] 石明國. 現(xiàn)代醫(yī)學影像技術學[M]. 西安: 陜西科學技術出版社，2007.

MRI Imaging Device Channel Number Acceptance Appraisal Research

【 Writers 】CAO Hui1, CAO Houde2
1 Assets Supervision & Administration Department, Shanghai Shenkang Hospital Development Center, Shanghai, 200041
2 Department of Radiology, Jing’an District Center Hospital, Shanghai, 200050

MRI, RF channel, coil, analog receiver

R318.6；TH77

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.03.017

1671-7104(2016)03-0217-04

2016-04-21

曹輝，e-mail：13311700452@163.com

【 Abstract 】This paper verifes MRI RF system conformity of the actual channel number and the manufacturer's nominal channel number, and inspects the actual channel number’s effect on the properties of magnetic resonance imaging (MRI). At the same time through detecting the increasing channel number’s relationship with MRI detection system image noise level and the image reconstruction speed, to verify the number of MRI RF system receiver is closely related with SNR, MRI scan time and so on.