模型模擬修改部分掃描參數(shù)加速M(fèi)R掃描的方法可行性探討

賀小紅 周新韓 高明勇 楊鏡全 馬錦城

528000，廣東省佛山市第一人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科MR室

模型模擬修改部分掃描參數(shù)加速M(fèi)R掃描的方法可行性探討

賀小紅 周新韓 高明勇 楊鏡全 馬錦城

528000，廣東省佛山市第一人民醫(yī)院醫(yī)學(xué)影像科MR室

目的 探討修改部分掃描參數(shù)加速M(fèi)R掃描的方法。方法 先以儀器制造商提供的頸部軟組織橫軸位（Tra）自旋回波（SE）平掃T1加權(quán)、T2加權(quán)序列掃描Philips Achieva 1.5T MRI系統(tǒng)的質(zhì)量控制模型；然后在數(shù)據(jù)采集界面的“Geometry、Contrast”等選項(xiàng)中修改視野（FOV）/矩陣（Matrix）/體素（Voxel）、并行采集（SENSE）、最小重復(fù)時(shí)間（Min.TR）、回波時(shí)間（TE）、快速自旋回波因子（TSE factor）等參數(shù)，并分別對(duì)模型相同區(qū)域進(jìn)行掃描；比較參數(shù)修改前、后相應(yīng)序列的總掃描時(shí)間（TSD）、圖像視覺(jué)效果，并以Tra圖像ROI內(nèi)信噪比（SNR）、非均勻性（NU）和X軸方向profile曲線評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量；采用SPSS17.0軟件對(duì)相應(yīng)序列定量數(shù)據(jù)進(jìn)行配對(duì)t檢驗(yàn)分析。結(jié)果 參數(shù)修改后T1加權(quán)、T2加權(quán)序列的TSD比修改前分別減少了38.5 s（25.56%）和40.0 s（22.22%）。目測(cè)相應(yīng)序列均勻區(qū)、線性區(qū)Tra圖像和profile曲線在掃描參數(shù)修改前、后沒(méi)有差異。參數(shù)修改前T1加權(quán)、T2加權(quán)的SNR均值分別為77.89、79.58，修改后為83.17、81.79，較修改前均有上升，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=-1.891，P＝0.199；t=-1.474，P＝0.278）；參數(shù)修改前T1加權(quán)、T2加權(quán)的NU均值分別為6.99、6.99，修改后為6.03、6.89，較修改前均有下降，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=0.802，P＝0.507；t=0.168，P＝0.882）。結(jié)論 模型模擬研究顯示，合理修改掃描參數(shù)可以在確保圖像質(zhì)量的同時(shí)加速M(fèi)R掃描。

磁共振成像；質(zhì)量控制；信噪比；非均勻性；掃描參數(shù)

Fund program:Special Fund for Science and Technology Innovation of Foshan（2015AG10004）

MRI技術(shù)在臨床疾病的診斷和療效評(píng)價(jià)中日益得到廣泛應(yīng)用。但MR掃描速度慢、檢查效率低，往往難以滿足臨床需求。用戶一般通過(guò)減少信號(hào)平均次數(shù)（number of signals averaged，NSA）和（或）重復(fù)時(shí)間（time of repeation，TR）等修改掃描參數(shù)的方法加快掃描速度，但往往隨意性大，也缺乏必要的修改掃描參數(shù)前、后所得成像結(jié)果的比較評(píng)價(jià)；而掃描序列的合理應(yīng)用和參數(shù)的最優(yōu)化選擇又是影響圖像質(zhì)量進(jìn)而影響診斷結(jié)果的重要因素[1]。尤其對(duì)于新購(gòu)設(shè)備，應(yīng)根據(jù)MRI信噪比（signal-tonoise ratio，SNR）等理論進(jìn)行各種掃描條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，以尋找合理的掃描參數(shù)[2]。鑒于MRI技術(shù)的復(fù)雜性，把握掃描參數(shù)的合理性和最優(yōu)化并不容易，需要在所用掃描序列本身構(gòu)成參數(shù)和影響圖像質(zhì)量的其他共用參數(shù)之間進(jìn)行折中。就修改掃描參數(shù)以加快MR掃描速度而言，應(yīng)當(dāng)在不改變序列圖像性質(zhì)并確保圖像質(zhì)量符合診斷要求的前提下，進(jìn)行掃描參數(shù)的合理修改和驗(yàn)證，否則將存在導(dǎo)致不當(dāng)顯像結(jié)果的可能。本研究選擇臨床廣泛應(yīng)用的自旋回波（spin-echo，SE）序列，通過(guò)模型模擬和圖像質(zhì)量比較，探討修改掃描參數(shù)以加速M(fèi)R掃描的方法，以期為用戶提供參考。

1 資料與方法

1.1 主要儀器

采用荷蘭Philips Achieva 1.5T MRI系統(tǒng)、16通道相控陣Neuro Vascular線圈（NV線圈）、系統(tǒng)專用質(zhì)量控制模型。系統(tǒng)軟件版本為Release 3.2.3。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 模型定位和參數(shù)修改

用專用模型托將模型置于NV線圈中，激光定位視野（field of view，F(xiàn)OV）中心，模型縱軸平行于檢查床縱軸，左右對(duì)稱。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保持模型位置不變，掃描范圍包括整個(gè)模型。先在橫軸位（transverse，Tra）定位圖上將掃描FOV調(diào)整到剛好包含模型（210 mm×210 mm），并以儀器制造商提供的頸部軟組織Tra SE平掃T1加權(quán)、T2加權(quán)原始序列掃描模型，層厚5 mm，層間距0.5，共掃描18層。然后復(fù)制上述序列，在數(shù)據(jù)采集界面的“Geometry、Contrast”等選項(xiàng)中分別進(jìn)行參數(shù)修改。每修改一項(xiàng)的同時(shí)觀察其他參數(shù)和掃描時(shí)間的變化情況。記錄修改后有掃描時(shí)間變化的對(duì)應(yīng)參數(shù)，并分別掃描模型，直到出現(xiàn)沖突（conflicts）提示或目測(cè)觀察圖像視覺(jué)效果明顯變差為止。T1加權(quán)、T2加權(quán)序列掃描參數(shù)修改前、后比較分別見(jiàn)表1、表2。

1.2.2 選擇參數(shù)修改后的比較對(duì)象

以參數(shù)修改前的均勻區(qū)Tra圖像為基礎(chǔ)，目測(cè)比較參數(shù)修改后各組圖像的視覺(jué)效果。選擇修改后無(wú)明顯差異，且掃描時(shí)間最短的一組掃描參數(shù)作為與修改前進(jìn)行對(duì)比分析的對(duì)象。分別記錄參數(shù)修改前、后T1加權(quán)、T2加權(quán)序列的總掃描時(shí)間（total scan duration，TSD）。

1.2.3 參數(shù)修改前、后比較對(duì)象的數(shù)據(jù)采集

采用T1加權(quán)、T2加權(quán)原始序列和1.2.2中選定的修改后對(duì)應(yīng)序列，分別于Tra方向以相同層數(shù)、層厚、層間距掃描模型相同區(qū)域。每個(gè)序列掃描3次，每次間隔1周。

1.3 圖像和數(shù)據(jù)分析

（1）由3位高年資MR醫(yī)師或技師以“沒(méi)有差異、稍有差異”2個(gè)等級(jí)分別目測(cè)評(píng)價(jià)圖像視覺(jué)效果和定量評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。當(dāng)結(jié)論不一致時(shí)，采納2人一致者。（2）將圖像大小、窗寬、窗位調(diào)整到相同標(biāo)準(zhǔn)，分別目測(cè)比較1.2.3中對(duì)應(yīng)序列相同層面均勻區(qū)和線性區(qū)Tra圖像的均勻性、清晰度和圖像畸變情況等。（3）采用儀器自帶profile技術(shù)，分別對(duì)1.2.3中對(duì)應(yīng)序列、層面、位置的Tra圖像作均勻區(qū)和線性區(qū)X軸方向profile，比較參數(shù)修改前、后對(duì)應(yīng)序列圖像內(nèi)部像素的信號(hào)變化情況。（4）采用儀器自帶ROI技術(shù)，分別定量分析1.2.3中對(duì)應(yīng)序列、層面、位置和面積的ROI在參數(shù)修改前、后均勻區(qū)Tra圖像的SNR和非均勻性（non-uniformity，NU）。ROI的位置、大小分別如圖1中A、B所示。采用一幅圖像測(cè)量方法測(cè)量SNR[3]：SNR=（S-Sb）/SD，式中，S為中央?yún)^(qū)域信號(hào)強(qiáng)度，Sb為背景區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度，SD為中央?yún)^(qū)域標(biāo)準(zhǔn)偏差，即噪聲。然后取SNR測(cè)量時(shí)像素計(jì)數(shù)的最大值（Smax）和最小值（Smin）用以下公式計(jì)算NU：NU=[1-（Smax-Smin）/（Smax＋Smin）] ×100%[4]。（5）記錄并比較1.2.3中對(duì)應(yīng)序列3次Tra圖像的SNR、NU平均值。

表1 T1加權(quán)序列掃描參數(shù)修改前、后比較Table 1 Comparison of the scanning parameters of T1-weighted sequences before and after the modification

表2 T2加權(quán)序列掃描參數(shù)修改前、后比較Table 2 Comparison of the scanning parameters of T2-weighted sequences before and after the modification

1.4 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

用SPSS17.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)定量數(shù)據(jù)的均值分別進(jìn)行參數(shù)修改前、后的配對(duì)t檢驗(yàn)分析。P＜0.05表示差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖1 測(cè)量SNR、NU和Sb的ROI 圖中，A：測(cè)量SNR和NU的ROI；B：測(cè)量Sb的ROI；SNR：信噪比；NU：非均勻性；Sb：背景區(qū)域信號(hào)。Fig.1 ROIs for the SNR，NU and Sbmeasurement

2 結(jié)果

2.1 參數(shù)修改前、后均勻區(qū)Tra圖像視覺(jué)效果、profile曲線和線性區(qū)profile曲線比較結(jié)果

3位評(píng)價(jià)者均認(rèn)為相應(yīng)序列模型均勻區(qū)和線性區(qū)圖像的視覺(jué)效果和profile曲線的形態(tài)、寬度和振幅在掃描參數(shù)修改前、后沒(méi)有差異，如圖2～圖4所示。

2.2 參數(shù)修改前、后TSD和Tra均勻區(qū)SNR、NU比較結(jié)果

T1加權(quán)、T2加權(quán)序列參數(shù)修改后的SNR均值分別為83.17、81.79，較修改前（77.89、79.58）小幅上升，但差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=-1.891，P＝0.199；t=-1.474，P＝0.278）；修改后的NU均值分別為6.03、6.89，較修改前（6.99、6.99）小幅下降，但差異亦無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（t=0.802，P＝0.507；t=0.168，P＝0.882）；而參數(shù)修改后的TSD較修改前顯著減少，T1加權(quán)、T2加權(quán)序列分別減少了38.5 s（25.56%）和40.0 s（22.22%）（表3）。

圖2 參數(shù)修改前、后均勻區(qū)Tra圖像視覺(jué)效果比較 圖中，A：修改前T1加權(quán)像；B：修改后T1加權(quán)像；C：修改前T2加權(quán)像；D：修改后T2加權(quán)像。Fig.2 Visual effect comparison of the transverse images in the uniform regions before and after the parameters were modified

圖3 參數(shù)修改前、后均勻區(qū)profile曲線比較 圖中，A：修改前T1加權(quán)像；B：修改后T1加權(quán)像；C：修改前T2加權(quán)像；D：修改后T2加權(quán)像。Fig.3 Comparison of profile curves in the uniform regions before and after the parameters were modified

圖4 參數(shù)修改前、后線性區(qū)profile曲線比較 圖中，A：修改前T1加權(quán)像；B修改后T1加權(quán)像；C：修改前T2加權(quán)像；D：修改后T2加權(quán)像。Fig.4 Comparison of profile curves in the linear regions before and after the parameters were modified

3 討論

一般而言，用戶修改掃描參數(shù)以加速M(fèi)R掃描的目的主要有以下幾方面：①減少掃描過(guò)程中患者移動(dòng)和組織器官生理性搏動(dòng)或蠕動(dòng)造成的偽影；②增加體內(nèi)流動(dòng)液體或注射對(duì)比劑動(dòng)態(tài)顯像時(shí)的追蹤速度或增加周期；③腹部等動(dòng)態(tài)掃描時(shí)，縮短患者憋氣時(shí)間，提高患者的依從性和舒適度；④進(jìn)一步提高儀器的利用率。但無(wú)論出于哪些目的，必須確保掃描參數(shù)修改后所得的MR圖像、定量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

根據(jù)MRI技術(shù)原理，在不考慮儀器硬件因素的情況下，筆者認(rèn)為影響MR掃描速度的因素主要包括兩個(gè)方面：其一，所用掃描序列本身的基本構(gòu)成參數(shù)。不同序列的構(gòu)成參數(shù)差異較大，掃描速度差別明顯，這也是得到不同性質(zhì)圖像的物理學(xué)基礎(chǔ)。改變序列構(gòu)成參數(shù)可以改變掃描速度，但也可能改變圖像信號(hào)成分，圖像性質(zhì)和定量指標(biāo)會(huì)隨之變化，最終可能達(dá)不到原序列設(shè)計(jì)的目的。不同人體組織具有不同的T1、T2特性，TR/TE等是構(gòu)成T1加權(quán)、T2加權(quán)掃描序列的基本參數(shù)。在一定范圍內(nèi)縮小TR/TE可以加快掃描速度，但可能降低組織間圖像的對(duì)比度，也可能得不到相關(guān)組織的真實(shí)T1、T2圖像。其二，不同序列的共用掃描參數(shù)，如掃描層數(shù)（Slices）/層厚（Slice Thickness）/間隔（Gap）、NSA、FOV/Matrix/Voxel、掃描范圍覆蓋率（Scan Persentage）、SENSE、流動(dòng)補(bǔ)償（Flow Compensation）、水/脂肪位移（Water-fat shift）/帶寬（Bandwidth）、飽和帶（REST）、編碼方向（Fold Over）等，它們可以是掃描速度的獨(dú)立影響因素，也可能如FOV/Matrix/Voxel之間具有關(guān)聯(lián)性。改變這些參數(shù)均有可能改變掃描速度，但不會(huì)改變圖像信號(hào)構(gòu)成和性質(zhì)，只是圖像質(zhì)量（視覺(jué)效果和定量數(shù)據(jù)）可能受到影響。因此，筆者認(rèn)為對(duì)于不熟悉序列構(gòu)成參數(shù)的用戶，以不改變?cè)行蛄械脑O(shè)計(jì)用途并確保圖像信號(hào)成分不變?yōu)榍疤幔瑢?duì)共用掃描參數(shù)進(jìn)行修改，以期在保障圖像質(zhì)量的前提下加快掃描速度，是比較安全的途徑。但研究表明，Voxel、SENSE、TE、擴(kuò)散敏感系數(shù)（b值）和擴(kuò)散梯度方向數(shù)等與擴(kuò)散張量成像時(shí)各向異性分?jǐn)?shù)的測(cè)量值明顯相關(guān)[5-6]。因此，如果不對(duì)掃描參數(shù)修改前、后所得圖像及定量指標(biāo)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，一般用戶難以控制修改幅度，也不能明確其是否影響診斷結(jié)果等。這樣就失去了加快掃描速度的意義。

表3 掃描參數(shù)修改前、后SNR均值、NU均值、TSD的變化情況Table 3 Changes in mean SNR，mean NU，and TSD before and after the scanning parameters were modified

比較表1、表2的“項(xiàng)目”欄，影響T1加權(quán)、T2加權(quán)序列掃描速度的參數(shù)有一定差異。通常情況下，NSA對(duì)掃描速度影響最為明顯：減少NSA即減少了數(shù)據(jù)采集次數(shù)，可以明顯加快掃描速度，但同時(shí)將顯著降低圖像的SNR。而MR掃描參數(shù)的設(shè)置要在保證一定的SNR前提下進(jìn)行[7]，否則可能影響圖像的對(duì)比度、清晰度、定量數(shù)據(jù)的可靠性等?？梢?jiàn)，以減少NSA來(lái)加速M(fèi)R掃描的方法應(yīng)當(dāng)慎重。故本研究力求在不減少原始NSA的基礎(chǔ)上，通過(guò)修改其他參數(shù)如FOV/Matrix/Voxel等來(lái)加速M(fèi)R掃描。Voxel尺寸通常由FOV和Matrix共同確定。就本研究機(jī)型而言，F(xiàn)OV與掃描速度呈正相關(guān)。將FOV大小調(diào)整到剛好全部包含模型，并保持所有掃描序列不變，然后修改Matrix/Voxel來(lái)觀察掃描速度與圖像質(zhì)量的變化。其他關(guān)聯(lián)參數(shù)也以類似方法進(jìn)行修改、比較，以期獲得理想的組合。

圖像SNR、NU是評(píng)價(jià)MR圖像質(zhì)量的常用指標(biāo)。SNR主要反映圖像信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值，NU反映相同組織圖像中信號(hào)水平的差異，可用于描述MR系統(tǒng)對(duì)均勻物質(zhì)在圖像上表現(xiàn)的均勻一致的程度[8]。由圖像計(jì)算得到的SNR、NU可綜合反映整個(gè)MR系統(tǒng)的性能狀態(tài)；此外，通過(guò)圖像作profile，可以反映MR系統(tǒng)硬、軟件等原因造成的圖像內(nèi)部像素信號(hào)分布差異等情況[8]。因此，本研究應(yīng)用相同模型和圖像顯示標(biāo)準(zhǔn)，以Tra圖像的SNR、NU和X軸方向profile曲線來(lái)比較掃描參數(shù)修改前、后的圖像質(zhì)量。結(jié)果表明，對(duì)應(yīng)序列均勻區(qū)和線性區(qū)圖像以及profile曲線視覺(jué)效果均沒(méi)有差異，SNR、NU的變化差異也沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但參數(shù)修改后明顯加快了掃描速度（TSD減少）。可見(jiàn)，本研究以忠于原有序列的設(shè)計(jì)用途為標(biāo)準(zhǔn)，在不改變?cè)行蛄袌D像性質(zhì)的前提下完成實(shí)驗(yàn)，所提供的方法在一定程度上避免了MR掃描參數(shù)修改的隨意性和盲目性。通過(guò)比較參數(shù)修改前、后兩組模型圖像的視覺(jué)效果，以及SNR、NU等定量參數(shù)的異同，基本證明了修改參數(shù)加快MR掃描速度是可行的。

然而，影響MR掃描速度的參數(shù)眾多，需要反復(fù)修改、比較，過(guò)程非常復(fù)雜。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)注意分別平衡FOV/Matrix/Voxel、水/脂肪位移/帶寬等關(guān)聯(lián)參數(shù)，合理設(shè)定Min.TR、DRIVE、SENSE、TSE factor等，并根據(jù)參數(shù)設(shè)置的沖突提示來(lái)進(jìn)行調(diào)整，這樣可以在確保圖像質(zhì)量的同時(shí)加速M(fèi)R掃描。但是由于篇幅限制，筆者未對(duì)表1、表2中的單項(xiàng)及關(guān)聯(lián)參數(shù)之間的變動(dòng)對(duì)掃描速度的影響，以及表3中修改后的SNR、NU變化原因等展開(kāi)討論。此外，本研究測(cè)量SNR時(shí)發(fā)現(xiàn)FOV內(nèi)背景區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度并不一致，故采用如圖1中B所示4個(gè)區(qū)域的平均值。其原因需進(jìn)一步測(cè)試分析。值得注意的是，本研究的實(shí)驗(yàn)機(jī)型單一、序列較少、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腕w積較小，雖然模擬臨床條件下加速掃描后，模型的圖像質(zhì)量與原始者具有可比性，但與在臨床患者中的實(shí)際應(yīng)用可能仍存在差距。因此，尚需不同體型受檢者的臨床應(yīng)用比較結(jié)果等來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證本研究所提供方法的可靠性。

利益沖突 本研究由署名作者按以下貢獻(xiàn)聲明獨(dú)立開(kāi)展，不涉及任何利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明 賀小紅負(fù)責(zé)研究命題的提出、設(shè)計(jì)，以及數(shù)據(jù)、圖像分析和論文起草；周新韓負(fù)責(zé)全部實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理、圖像分析和論文修訂；高明勇負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)、圖像分析和論文修訂；楊鏡全負(fù)責(zé)T1加權(quán)序列參數(shù)修改和比較實(shí)驗(yàn)；馬錦城負(fù)責(zé)T2加權(quán)序列參數(shù)修改和比較實(shí)驗(yàn)。

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Feasibility of accelerating MR scan by modifying part of scanning parameters：a phantom simulation study

He Xiaohong,Zhou Xinhan,Gao Mingyong,Yang Jingquan,Ma Jincheng
Department of MRI,Medical Imaging,the First People′s Hospital of Foshan,Foshan 528000,China

Gao Mingyong,Email：fs265h@126.com

ObjectiveTo investigate the feasibility of accelerating MR scan by modifying the scanning parameters.MethodsFirst,the spine cho（SE）T1-weighted and T2-weighted sequences of neck soft tissue were used to scan the transverse（Tra）slices of the special quality control phantom of the Philips Achieva 1.5T system.The FOV/Matrix/Voxel,SENSE,Min.TR,TE,and TSE factor were modified in the“Geometry,Contrast”mode of the data acquisition interface to accelerate the scanning speed.The phantom was scanned at the same time the scanning parameters were modified.Finally,the total scan duration（TSD）of the corresponding sequences was compared.The signal-to-noise ratio（SNR）,nonuniformity（NU）in the ROI,and profile curve in the X-direction of the Tra images were used to evaluate image quality before and after the scanning parameters were modified.Paired t-test was used to analyze the quantitative data.ResultsApproximately 38.5 s（25.56%）and 40.0 s（22.22%）were saved corresponded to the T1-weighted and T2-weighted sequences,respectively,after the scanning parameters were modified. Visual differences in the images and profile curves of the corresponding sequences were not found between before and after the modification of scanning parameters.The mean SNRs of the T1-weighted and T2-weighted sequences increased slightly after the modification,but the differences were not significant（t=-1.891，P＝0.199；t=-1.474，P＝0.278）.The mean NUs slightly decreased after the modification,but the differences were also not significant（t=0.802，P＝0.507；t=0.168，P＝0.882）.ConclusionThe phantom test showed that the MR scan speed was accelerated and image quality was ensured by modifying the scanning parameters.

Magnetic resonance imaging；Quality control；Signal-to-noise ratio；Non-uniformity；Scan parameter

高明勇，Email：fs265h@126.com

10.3760/cma.j.issn.1673-4114.2016.04.006

佛山市科技創(chuàng)新專項(xiàng)（2015AG10004）

2016－02－18）