醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)（MRI）成像原理及其計(jì)量參數(shù)檢測的實(shí)驗(yàn)研究

玉碧堅(jiān)　蘇毅

【摘 要】醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)（MRI）在診斷方面地位日益突出。本文根據(jù)醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)（MRI）成像原理，通過利用測試模體對MRI系統(tǒng)影像質(zhì)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對AAPM報(bào)告提出的信噪比等有關(guān)性能參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行討論，為制定檢測MRI設(shè)備計(jì)量性能參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供參考，使制定的檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)更科學(xué)、合理和適用。

【關(guān)鍵詞】醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng) 計(jì)量參數(shù) 實(shí)驗(yàn)研究

1引言

醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)（MRI）作為大型醫(yī)療設(shè)備已在國內(nèi)外醫(yī)院廣泛使用，在診斷方面地位日益突出。為了保證臨床應(yīng)用診斷的準(zhǔn)確性，保護(hù)廣大患者和醫(yī)護(hù)人員的人身安全，對磁共振影像系統(tǒng)計(jì)量參數(shù)的檢測就顯得至關(guān)重要。但如何對醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)進(jìn)行檢定，保證醫(yī)用磁共振成像（MRI）系統(tǒng)各項(xiàng)性能正常和影像正確，國家目前尚無統(tǒng)一的檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，因此有必要對醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)（MRI）影像質(zhì)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，探討其成像質(zhì)量控制的計(jì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)要求。

2成像原理

醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)（MRI）由磁體、線圈、控制單元、計(jì)算機(jī)成像系統(tǒng)和診斷床等部分組成。核磁共振成像是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子電路技術(shù)、超導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種生物磁學(xué)核自旋成像技術(shù)。它是利用磁場與射頻脈沖使人體組織內(nèi)自旋運(yùn)動的氫核（H+）發(fā)生振動產(chǎn)生射頻信號，經(jīng)計(jì)算機(jī)處理而成像的。即作用在樣品上有一穩(wěn)定磁場和一個交變電磁場，去掉電磁場后，處在激發(fā)態(tài)的核可以躍遷到低能級，輻射出電磁波，同時可以在線圈中感應(yīng)出電壓信號，成為核磁共振信號。人體組織中由于存在大量的水和碳?xì)浠衔锒写罅康臍浜?，一般用氫核得到的信號比其他核?000倍以上。人體內(nèi)器官和組織中的水分并不相同，很多疾病的病理過程會導(dǎo)致水分形態(tài)的變化，使得正常組織與病變組織的電壓信號不同，結(jié)合電子計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）技術(shù)，可以得到人體組織的任意斷面圖像，尤其對軟組織的病變診斷，更顯示了它的優(yōu)點(diǎn)，病變部位非常敏感，圖像也很清晰。若將核磁共振的頻率變數(shù)增加到兩個或多個，可以實(shí)現(xiàn)二維或多維核磁共振，從而獲得比一維核磁共振更多的信息。

3實(shí)驗(yàn)研究

3.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

選磁共振性能模體：美國體模實(shí)驗(yàn)室（ne Phanto Laboratory）制造的Magphan體模，符合美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)家協(xié)會AAPM Report NO.100，2010的技術(shù)要求，能夠滿足磁共振的軸向面、冠狀面、矢狀面圖形性能的檢測。性能模體中注入的CuSO4溶液的濃度為110g/L。

磁場強(qiáng)度計(jì)：分辨力為0.1mT，最大允許誤差不超過被檢對象的三分之一。

選取40臺MRI設(shè)備（其場強(qiáng)、生產(chǎn)廠家、型號、安裝日期如表1），用上述檢測設(shè)備進(jìn)行性能參數(shù)檢測，對檢測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，根據(jù)分析的結(jié)果，對AAPM報(bào)告提出的有關(guān)性能參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價(jià)，為制定MRI設(shè)備計(jì)量性能參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供參考。

按照AAPM推薦的方法和模體說明書的方法進(jìn)行測試，檢測的性能參數(shù)為信噪比、均勻度、線性度誤差（畸變）、層厚誤差、空間分辨力和低對比度分辨力。首先對各項(xiàng)性能參數(shù)按場強(qiáng)大小進(jìn)行分組，研究各項(xiàng)性能參數(shù)與場強(qiáng)的關(guān)系，然后對均勻度、線性度誤差（畸變）、層厚誤差、空間分辨力和低對比度分辨力按其大小進(jìn)行分組，研究各項(xiàng)性能參數(shù)的分布特點(diǎn)。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.2.1信噪比

全部設(shè)備按場強(qiáng)分成4組，第一組場強(qiáng)<0.5T，為低場強(qiáng)；第二組場強(qiáng)為0.5T～0.9T；第三組場強(qiáng)為1.0T～1.5T；第四組場強(qiáng)≥1.5T。表2為4組場強(qiáng)下的信噪比最大值、最小值、極差和平均值。不同組信噪比平均值差別較大，而且明顯隨著場強(qiáng)的增加而增加。

3.2.2均勻度

均勻度按場強(qiáng)分組，各組間均勻度不存在顯著差別，見表3。

設(shè)備若按均勻度分組，每組臺數(shù)和百分比如表4。97.5%以上的設(shè)備均勻度在94%以上，100%設(shè)備均勻度在90%以上。

3.2.3線性度誤差（畸變）

X方向線性度誤差（畸變）按場強(qiáng)分組，各組的X方向線性度誤差平均值不存在顯著差別，見表5。

設(shè)備若按X方向線性度誤差（畸變）分組，每組臺數(shù)和百分比如表6。97.5%以上的設(shè)備X方向線性度誤差（畸變）在5%以下，2.5%設(shè)備X方向線性度誤差（畸變）超過5%。

Y方向線性度誤差（畸變）按場強(qiáng)分組，各組的Y方向線性度誤差平均值不存在顯著差別，見表7。若按Y方向線性度誤差分組，每組臺數(shù)和百分比如表8。97.5%以上的設(shè)備Y方向線性度誤差（畸變）在1.5%以下，100%設(shè)備Y方向線性度誤差（畸變）在3.5%以下。

3.2.4層厚誤差

因?yàn)橛行┰O(shè)備斜線像的信號太弱和有些設(shè)備無Profile功能，所以有8臺設(shè)備的層厚無法測量。對已測量層厚的32臺設(shè)備按場強(qiáng)分組，各組的層厚誤差不存在顯著差別，見表9。

若按層厚誤差大小分組，每組臺數(shù)和所占百分比如表10。90%以上的設(shè)備層厚誤差在1.0mm以下，10%設(shè)備層厚誤差超過1mm。

3.2.5空間分辨力

因?yàn)樵O(shè)備空間分辨力最高等于像素的大小，在空間分辨力的測量中FOV取256mm，像素矩陣取256x256，像素等于1mm，所以設(shè)備的最高空間分辨力等于1mm。按場強(qiáng)分組結(jié)果，各組的空間分辨力不存在顯著差別，見表11。

在40臺設(shè)備中空間分辨力1mm的設(shè)備占80%，空間分辨力1.25mm的設(shè)備占20%，

3.2.6低對比度分辨力

按場強(qiáng)分組，低對比度分辨力與場強(qiáng)有關(guān)，如表12。場強(qiáng)等于和高于0.5T的設(shè)備均能分辨出Φ4mm/深0.5mm的孔，在場強(qiáng)低于0.5T的設(shè)備中，低對比度分辨力為Φ4mm/深0.5mm的設(shè)備占83%，Φ6mm/深0.5mm的設(shè)備占17%

4討論

AAPM 100號報(bào)告提出的MRI臨床應(yīng)用性能的標(biāo)準(zhǔn)，是對各廠家和型號設(shè)備均適用的質(zhì)量保證標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)不同生產(chǎn)廠家，不同場強(qiáng)的40臺MRI設(shè)備檢測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，對有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)做出以下評價(jià)：

4.1信噪比與場強(qiáng)有關(guān)

40臺MRI設(shè)備的場強(qiáng)分成以下4組：<0.5T、0.5T～0.9T、1.0T～1.5和≥1.5T。每組信噪比平均值隨場強(qiáng)增加，分別為77、112、194和270。AAPM報(bào)告沒有提出信噪比的標(biāo)準(zhǔn)，如果要規(guī)定信噪比標(biāo)準(zhǔn)的話，不同場強(qiáng)必須采取不同的標(biāo)準(zhǔn)。

4.2均勻度與場強(qiáng)無關(guān)

在40臺MRI設(shè)備中，100%的設(shè)備均勻度在90%以上。AAPM報(bào)告建議的均勻度標(biāo)準(zhǔn)是80%，從實(shí)驗(yàn)檢測的結(jié)果來看，此標(biāo)準(zhǔn)太低。隨著MRI技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備性能的提高，該項(xiàng)性能已普遍提高。

4.3線性度誤差（畸變）與場強(qiáng)無關(guān)

在40臺MRI設(shè)備中97.5%的設(shè)備X方向線性度誤差在5%以下，Y方向線性度誤差在1.5%以下。AAPM報(bào)告建議的線性度誤差標(biāo)準(zhǔn)是5%，從檢測的結(jié)果來看該標(biāo)準(zhǔn)比較合適。

4.4層厚誤差與場強(qiáng)無關(guān)

在已測層厚的32臺設(shè)備中，90%的設(shè)備層厚誤差在1.0mm以下，10%的設(shè)備層厚誤差超過1.0mm。AAPM報(bào)告推出的層厚誤差標(biāo)準(zhǔn)是±1mm，從檢測的結(jié)果來看該標(biāo)準(zhǔn)也比較合適。

4.5空間分辨力與場強(qiáng)無關(guān)

AAPM報(bào)告推出的空間分辨力標(biāo)準(zhǔn)是1mm。這是理想的空間分辨力，從檢測的結(jié)果來看只有79.4%的設(shè)備能達(dá)到這一標(biāo)準(zhǔn)，尚有20.6%的設(shè)備達(dá)不到。該標(biāo)準(zhǔn)作為質(zhì)量保證的標(biāo)準(zhǔn)尚可，但作為臨床應(yīng)用質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)太高，按此標(biāo)準(zhǔn)，將有一部分設(shè)備臨床應(yīng)用質(zhì)量不合格。

4.6低對比度分辨力與場強(qiáng)有關(guān)

AAPM報(bào)告提出的MRI設(shè)備性能參數(shù)中沒有此項(xiàng)，但我們認(rèn)為此項(xiàng)參數(shù)不可缺少。因?yàn)榈蛯Ρ榷确直媪Σ煌诳臻g分辨力，后者是在高對比度條件下對目標(biāo)的分辨能力，前者是在低對比度條件下對目標(biāo)的分辨能力，兩者都是與臨床診斷質(zhì)量直接相關(guān)的性能參數(shù)。低對比度分辨力是可以用特殊設(shè)計(jì)的體模定量檢測的，從實(shí)驗(yàn)檢測的結(jié)果來看，低對比度分辨力與場強(qiáng)有關(guān)，場強(qiáng)等于或高于0.5T的設(shè)備均可分辨Φ4mm/深0.5mm的孔，場強(qiáng)低于0.5T的設(shè)備中，83%的設(shè)備可分辨Φ4mm/深0.5mm的孔，17%的設(shè)備可分辨Φ6mm/深0.5mm的孔。因此低對比度分辨力標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)不同的場強(qiáng)制定。

5結(jié)語

根據(jù)以上MRI系統(tǒng)成像質(zhì)量實(shí)驗(yàn)研究討論分析說明，在制定醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)（MRI）的計(jì)量性能參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)時，由于信噪比和低對比度分辨力均與場強(qiáng)有關(guān)，應(yīng)慎重考慮根據(jù)不同的場強(qiáng)制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，使制定的檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)更科學(xué)、合理和適用。

參考文獻(xiàn)：

[1]AAPM Report No.100，2010 磁共振成像設(shè)備的試驗(yàn)和質(zhì)量保證程序（Acceptance Testing and Quality Assurance for Magnetic Resonance Imaging Facilities）[S].