Stability tests and action limits setting for central frequency and transmitter gain of MRI scanners

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(1.Department of Radiology, Beijing Friendship Hospital, Capital Medical University,Beijing 100050, China; 2.College of Information Engineering,China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Stability tests and action limits setting for central frequency and transmitter gain of MRI scanners

YINHongxia1,YANGPingping2,LIUYawen2,ZHONGZhaohui1,ZHUJianming2,YANGZhenghan1,WANGZhenchang1*

(1.DepartmentofRadiology,BeijingFriendshipHospital,CapitalMedicalUniversity,Beijing100050,China; 2.CollegeofInformationEngineering,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,China)

Objective To test the central frequency (CF) and transmitter gain(TG) of MRI scanners, and set up their action limits. Methods Three different MRI devices (GE 3.0T HD, GE 1.5T HDi and GE 3.0T 750W) were tested by scanning American College of Radiology (ACR) phantom with the axial T1WI series. In the pre-scanning of T1WI series for the ACR phantom, the CF and TG were recorded. It was tested for eight times when MRI scanners were in good condition. The action limits of CF and TG were calculated based on mean values and standard deviations. Results The mean values of CF for three devices were (127 725 772.38±39.68)Hz, (63 875 740.13±34.15)Hz, and (127 771 958.38±12.19)Hz, respectively. Their action limits were ≤119.04 Hz, ≤68.30 Hz, and ≤36.57 Hz, respectively. The mean values of TG for three devices were (125.25±1.28)dB, (101.75±1.98)dB, and (113.25±0.89)dB, respectively. Their action limits were (125.25±2.56)dB, (101.75±3.96)dB, and (113.25±1.78)dB, respectively. Conclusion The CF and TG for three MRI scanners are all consistent with the action limits in this study. The CF and TG action limits will provide criterions for the clinical quality control.

Central frequency; Transmitter gain; Quality control; Action limits

自1980年第一臺全身MRI設(shè)備投入臨床應(yīng)用以來，MRI技術(shù)在醫(yī)學(xué)影像中占有越來越重要的地位。在臨床應(yīng)用中，為獲得高質(zhì)量的醫(yī)學(xué)圖像，必須有相應(yīng)的臨床質(zhì)量控制流程，以保證MRI設(shè)備在最佳狀態(tài)運行。因此，MRI設(shè)備質(zhì)量控制成為放射科的重要工作之一[1-4]。美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)會(American Association of Physicists in Medicine, AAPM)和美國放射學(xué)會(American College of Radiology, ACR)等機構(gòu)對MRI設(shè)備臨床質(zhì)量控制提出了一系列標(biāo)準(zhǔn)化流程和技術(shù)規(guī)范，其中中心頻率和發(fā)射增益是臨床質(zhì)量控制的重要檢測指標(biāo)[5-8]。本文對本院3臺MRI設(shè)備的中心頻率和發(fā)射增益進(jìn)行穩(wěn)定性檢測，并建立其處置界限，為臨床質(zhì)量控制提供檢測標(biāo)準(zhǔn)。

1 材料與方法

1.1設(shè)備與材料 MRI設(shè)備1為GE 3.0T HD(2006年裝機)，MRI設(shè)備2為GE 1.5T HDi(2012年裝機)，MRI設(shè)備3為GE 3.0T 750W(2016年裝機)；正交鳥籠頭線圈；ACR模體(型號J12731，制造商J.M.SPECIALTY PARTS，SAN DIEGO, CA)，直徑190 mm，高148 mm，內(nèi)部填充10 mmol/L的氯化鎳溶液和75 mmol/L的氯化鈉溶液。

1.2方法與參數(shù) 將ACR模體正確擺放于正交鳥籠頭線圈內(nèi)，行三維定位掃描。后掃描軸位T1WI序列，掃描層數(shù)為11層，第1層和第11層的掃描線分別對應(yīng)于矢狀定位圖像中心層面的2個45°楔形夾角處(圖1)，定位中心層面出現(xiàn)45°楔形夾角提示軸位定位精準(zhǔn)，如中心層上下只出現(xiàn)一半楔形圖，提示模體放置不正，應(yīng)重新擺位。掃描參數(shù)：SE序列，TR 500 ms，TE 20 ms，NEX 1，層厚5 mm，層間距5 mm，F(xiàn)OV 25 cm×25 cm，矩陣256×256。

預(yù)掃描階段，中心頻率和發(fā)射增益會在掃描界面直接顯示；序列掃描結(jié)束后，可在圖像瀏覽界面打開Series Textpage進(jìn)行回溯查看，記錄中心頻率和發(fā)射增益。

1.3建立處置界限 在3臺MRI設(shè)備運行狀態(tài)良好情況下，對每臺設(shè)備的中心頻率和發(fā)射增益連續(xù)檢測8次，計算均值和標(biāo)準(zhǔn)差。中心頻率的處置界限：1.5T MRI設(shè)備的周變化值范圍為≤2×標(biāo)準(zhǔn)差，3.0T MRI設(shè)備的周變化值范圍為≤3×標(biāo)準(zhǔn)差(3.0T MRI設(shè)備的中心頻率變化值相對更大)；發(fā)射增益的處置界限：均值±2×標(biāo)準(zhǔn)差，且所有處置界限應(yīng)不低于ACR要求的最低處置界限標(biāo)準(zhǔn)[5]。

2 結(jié)果

MRI設(shè)備1、2、3的中心頻率、發(fā)射增益的連續(xù)檢測結(jié)果見表1～3，其中心頻率均值分別為 (127 725 772.38±39.68)Hz、(63 875 740.13±34.15)Hz和(127 771 958.38±12.19)Hz，處置界限分別為：周變化值≤119.04 Hz、≤68.30 Hz和≤36.57 Hz。3臺MRI設(shè)備中心頻率的處置界限范圍均比ACR的最低要求范圍窄；且所有設(shè)備中心頻率變化范圍均在處置界限范圍內(nèi)，設(shè)備運行良好。

MRI設(shè)備1、2、3的發(fā)射增益均值分別為 (125.25±1.28)dB、(101.75±1.98)dB和(113.25±0.89)dB，其處置界限分別為(125.25±2.56)dB、(101.75±3.96)dB和(113.25±1.78)dB。3臺設(shè)備的發(fā)射增益變化范圍均<5%，均低于ACR要求的變化范圍(≤10%)；每臺設(shè)備的發(fā)射增益均穩(wěn)定，設(shè)備運行正常。

表1 設(shè)備1中心頻率與發(fā)射增益檢測結(jié)果

表2 設(shè)備2中心頻率與發(fā)射增益檢測結(jié)果

表3 設(shè)備3中心頻率與發(fā)射增益檢測結(jié)果

圖1 軸位T1WI定位圖像和掃描層面定位線

3 討論

磁體是MRI設(shè)備的主要硬件之一，穩(wěn)定的主磁場均勻性是產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)MR圖像的基礎(chǔ)。主磁場均勻性分為時間均勻性和空間均勻性[9]。在臨床應(yīng)用中，主磁場均勻性會受外來鐵磁性物質(zhì)、環(huán)境溫度變化以及隨時間漂移等因素的影響，導(dǎo)致信噪比下降、脂肪抑制不均勻等圖像質(zhì)量問題。因此，及時發(fā)現(xiàn)主磁場均勻性的變化是MRI設(shè)備臨床質(zhì)量控制工作的重要內(nèi)容。在質(zhì)量控制過程中，可直接對主磁場空間均勻性進(jìn)行評估，但由于評估方法操作復(fù)雜、費時，一般每季度或每年檢測1次[5,10-11]。根據(jù)拉莫方程[5,12](ω=γ×B0，ω為中心頻率，γ為磁旋比，氫質(zhì)子的磁旋比約為42.58 MHz/T)可知，中心頻率與磁場強度呈正比，如果中心頻率發(fā)生變化，則提示相對應(yīng)的主磁場發(fā)生了變化。因此，中心頻率的變化可間接反映主磁場強度的變化，進(jìn)而達(dá)到評估磁場時間均勻性的目的。在固定序列的預(yù)掃描階段，中心頻率的檢測與發(fā)射增益的檢測可同時完成，整個過程只需幾分鐘。

發(fā)射增益是將宏觀的縱向磁化矢量偏轉(zhuǎn)90°所需要的功率[5]。在MRI預(yù)掃描過程中，中心頻率確定后，掃描系統(tǒng)會繼續(xù)調(diào)整射頻發(fā)射器的發(fā)射增益。發(fā)射增益的穩(wěn)定性包括振幅穩(wěn)定性、頻率穩(wěn)定性和相位穩(wěn)定性。針對同一個線圈和模體，如果MRI設(shè)備運行正常，發(fā)射增益應(yīng)是一個相對穩(wěn)定的常數(shù)。發(fā)射增益一旦不穩(wěn)定將會導(dǎo)致圖像偽影出現(xiàn)、信噪比下降或圖像均勻性下降等問題[13]。高質(zhì)量的快速成像序列，如快速回波序列和EPI序列等，尤其需要發(fā)射增益的穩(wěn)定。

由于MRI設(shè)備生產(chǎn)、安裝過程中不可控因素及環(huán)境溫度等影響，每臺設(shè)備中心頻率和發(fā)射增益的正常值和變化范圍存在差異。為確保MRI設(shè)備運行狀態(tài)保持最佳性能并及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備運行中出現(xiàn)的問題，在中心頻率和發(fā)射增益的臨床質(zhì)量控制工作開始前，需為每臺設(shè)備的指標(biāo)建立合適的處置界限。處置界限用于描述設(shè)備處于高性能狀態(tài)時各指標(biāo)的正常值范圍[5]。中心頻率隨時間變化而呈緩慢衰減的趨勢，在檢測過程中，只能考察其變化率。根據(jù)ACR推薦的方法，臨床質(zhì)量控制檢測周期為1周時，其處置界限通常用當(dāng)前周與前一周測量值的差值表示，單位以百萬分率(parts per million, ppm)或赫茲(Hz)表示[5]。根據(jù)公式(Δ=B0×42.58MHz/T×1.5ppm)進(jìn)行Hz和ppm的換算，獲得中心頻率在1.5T MRI設(shè)備的周變化值為≤96 Hz，在3.0T MRI設(shè)備的周變化值≤192 Hz。發(fā)射增益相對穩(wěn)定，其處置界限為以均值為中心的變化范圍，通常以對數(shù)表示，單位是分貝(dB)[5]。ACR推薦為每臺MRI設(shè)備建立的個體化處置界限不應(yīng)低于ACR的最低要求，即發(fā)射增益的波動范圍<10%，中心頻率周變化值≤1.5 ppm[5]。

中心頻率處置界限的建立方法：在MRI設(shè)備運行良好的一段時間內(nèi)，進(jìn)行連續(xù)多次測量，用多次測量值的幾倍標(biāo)準(zhǔn)差表示；倍數(shù)選擇一般為2～4倍，需要根據(jù)設(shè)備的狀態(tài)由負(fù)責(zé)質(zhì)量控制的物理師決定[5]。在此過程中，連續(xù)測量的時間跨度對結(jié)果影響很大。在確定標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)后，如果時間跨度很小，如1周之內(nèi)，每日測量的中心頻率變化值可能很小，其標(biāo)準(zhǔn)差就很小，獲得的處置界限范圍就很窄。當(dāng)時間跨度很大時，中心頻率的衰減范圍可能已經(jīng)很大，其標(biāo)準(zhǔn)差就變大，獲得的處置界限范圍就很寬。ACR發(fā)布的《磁共振質(zhì)量控制手冊》推薦的時間是10天[5]；AAPM等學(xué)術(shù)會議的報告中，美國多個研究中心物理師分享的經(jīng)驗在時間跨度上也不同，一般可選擇20天到1個月的時間。筆者通過近3個月的實踐，發(fā)現(xiàn)每臺設(shè)備在1～2個月的時間跨度內(nèi)，其中心頻率的變化率較小。因此，筆者選擇1～2個月的時間跨度建立中心頻率的處置界限(每周變化率)。在中心頻率處置界限建立過程中，時間跨度和標(biāo)準(zhǔn)差倍數(shù)選擇有較大的自由度，對工作人員的操作經(jīng)驗有很高的要求。ACR推薦應(yīng)由醫(yī)學(xué)物理師完成該工作[5]。由于實踐經(jīng)驗有限，筆者為3臺設(shè)備中心頻率建立的處置界限，有待在今后的質(zhì)量控制工作中進(jìn)行檢驗，并不斷更新。

在中心頻率的質(zhì)量控制過程中，模體擺放需位于磁體中心位置；每次測量需要采用相同的序列和參數(shù)。如發(fā)現(xiàn)測量值超出處置界限，應(yīng)先確認(rèn)模體擺放正確，然后再進(jìn)行重復(fù)檢測。如重復(fù)檢測后，中心頻率仍然超出標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)與設(shè)備工程師或醫(yī)學(xué)物理師聯(lián)系，查找原因。造成中心頻率變化異常的主要原因有超導(dǎo)性能下降、外部鐵磁性物質(zhì)引起勻場線圈變化或環(huán)境溫度影響等[5]。因此，在發(fā)生環(huán)境溫度變化、重大維修或升級后，需要重新建立中心頻率的處置界限。

發(fā)射增益是反映射頻發(fā)射硬件工作狀態(tài)的重要性能指標(biāo)。在MR預(yù)掃描階段，掃描系統(tǒng)會自動調(diào)節(jié)射頻發(fā)射器的增益值，使MR信號可被顯示在最大的動態(tài)范圍內(nèi)。檢測發(fā)射增益應(yīng)該選擇偏轉(zhuǎn)角為90°時進(jìn)行，且每次檢測需選擇固定的射頻線圈、模體和掃描序列。MR設(shè)備運行正常的情況下，采用相同的線圈、模體和掃描序列，其測量值應(yīng)相對穩(wěn)定。發(fā)射增益測量值的單位為對數(shù)單位，較小的dB值波動即可反映較大的增益變化。與中心頻率相同，不同MRI設(shè)備發(fā)射增益的正常值范圍也不同，在質(zhì)量控制工作開始之前，需先建立處置界限。發(fā)射增益處置界限的建立可與中心頻率處置界限的建立同步操作。與中心頻率不同，發(fā)射增益具有很高的穩(wěn)定性，連續(xù)檢測的時間跨度對結(jié)果影響不大。在檢測模體定位準(zhǔn)確的情況下，如果發(fā)射增益出現(xiàn)較大的波動，則提示射頻系統(tǒng)的某些部件發(fā)生異常，包括射頻傳送過程的損失、射頻接收的電子元器件問題以及磁場均勻性下降等。

總之，本文所檢測的3臺MRI設(shè)備的發(fā)射增益均具有很好的穩(wěn)定性，其變化范圍均<5%，遠(yuǎn)優(yōu)于ACR要求的最低標(biāo)準(zhǔn)(≤10%)；但在今后的工作中，還需要進(jìn)一步完善和積累經(jīng)驗。

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國家重點研發(fā)計劃數(shù)字診療裝備研發(fā)重點專項(2016YFC0106901)、科技北京百名領(lǐng)軍人才培養(yǎng)工程(Z141107001514002)、北京市醫(yī)管局“使命”人才計劃(SML20150101)、北京學(xué)者(京人社專家發(fā)〔2015〕160號)。

尹紅霞(1979—)，女，山東濟南人，碩士，工程師。研究方向：磁共振質(zhì)量控制和成像新技術(shù)的應(yīng)用研究。E-mail: 282496774@qq.com

王振常，首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院放射科，100050。E-mail： cjr.wzhch@vip.163.com

2017-06-08

2017-07-10

MRI設(shè)備中心頻率和發(fā)射增益穩(wěn)定性檢測及處置界限建立

尹紅霞1，楊娉娉2，劉雅文2，鐘朝輝1，朱建明2，楊正漢1，王振常1*

(1.首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京友誼醫(yī)院放射科，北京 100050；2.中國計量大學(xué)信息工程學(xué)院，杭州 310018)

目的 對3臺MRI設(shè)備進(jìn)行中心頻率和發(fā)射增益的穩(wěn)定性檢測，并建立其處置界限。方法 對本單位3臺MRI設(shè)備(設(shè)備1：GE 3.0T HD；設(shè)備2：GE 1.5T HDi；設(shè)備3：GE 3.0T 750W)，采用軸位T1WI掃描美國放射學(xué)會(ACR)模體。在預(yù)掃描階段記錄中心頻率和發(fā)射增益，在設(shè)備運行狀態(tài)良好的情況下，連續(xù)檢測中心頻率和發(fā)射增益8次，計算均值和標(biāo)準(zhǔn)差，建立2個指標(biāo)的處置界限。結(jié)果 設(shè)備1、2、3的中心頻率均值分別為(127 725 772.38±39.68)Hz、(63 875 740.13±34.15)Hz和(127 771 958.38±12.19)Hz，其處置界限分別為周變化值≤119.04 Hz、≤68.30 Hz和≤36.57 Hz。發(fā)射增益均值分別為(125.25±1.28)dB、(101.75±1.98)dB和(113.25±0.89)dB，其處置界限分別為(125.25±2.56)dB、(101.75±3.96)dB和(113.25±1.78)dB。結(jié)論 3臺MRI設(shè)備的中心頻率和發(fā)射增益檢測結(jié)果均符合處置界限的要求；處置界限的建立為臨床質(zhì)量控制提供了正常參考值范圍。

中心頻率；發(fā)射增益；質(zhì)量控制；處置界限

R445.2

A

1003-3289(2017)08-1260-04

10.13929/j.1003-3289.201706054