ACR體模與Magphan SMR 170體模MRI性能測試對比研究*

胡先玲 王 芳 劉 燕 李佳戈 尹訓(xùn)濤 王 健 李傳明

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)設(shè)備是臨床放射科或影像中心的高端影像設(shè)備之一，在醫(yī)學(xué)診療中發(fā)揮著不可替代的重要作用[1]。醫(yī)學(xué)影像成像技術(shù)與成像系統(tǒng)的質(zhì)量控制(quality control，QC)是獲得高質(zhì)量的醫(yī)學(xué)圖像及確保醫(yī)學(xué)影像符合診斷標(biāo)準(zhǔn)的前提，也是確保每一個磁共振檢查者的生命安全以及疾病得到及時診斷的根本保障[2-3]。磁共振性能參數(shù)檢測是MRI設(shè)備QC工作的重要內(nèi)容，美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)會(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)[4]、美國放射學(xué)會(The American College of Radiology，ACR)[5]等組織，對MRI設(shè)備的一些性能參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和測試方法提出了要求，建立了驗收監(jiān)測和性能狀態(tài)檢測的技術(shù)指標(biāo)。國家衛(wèi)生行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“醫(yī)用磁共振成像(MRI)設(shè)備影像質(zhì)量檢測與評價規(guī)范”(WS/T263-2006)[6]、國家食品藥品監(jiān)理管理局發(fā)布的“醫(yī)用成像磁共振設(shè)備主要圖像質(zhì)量參數(shù)的測定”(YY-T0482-2010)標(biāo)準(zhǔn)[7]。這些標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)地規(guī)定了MRI檢測需要的體模要求和參數(shù)設(shè)置，而常見的MRI性能測試體模有Magphan SMR 170體模、Victoreen體模以及ACR體模[8]。其中，Magphan SMR 170體模和ACR體模使用最為廣泛。MRI的QC主要指標(biāo)有信噪比[9]、影像均勻性[10]、層厚[11-12]、空間分辨率[13]、偽影及幾何畸變等。為此，本研究采用Magphan SMR 170體模和ACR體模對MRI設(shè)備的主要指標(biāo)進(jìn)行測試。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備與材料

(1)體模。采用Magphan SMR 170體模(美國模體實驗室)和ACR體模(美國放射學(xué)會)對MRI性能進(jìn)行測試，測試中執(zhí)行ACR 2015標(biāo)準(zhǔn)、國家衛(wèi)生行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(WS/T263-2006)和醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(YY-T 0482-2010)的相關(guān)規(guī)定。

(2)檢測設(shè)備。選取西南地區(qū)41家醫(yī)院的MRI設(shè)備，包括聯(lián)影、朗潤、東軟、成都奧泰、寧波鑫高益和深圳安科6個國產(chǎn)廠家各場強(qiáng)的6種型號，以及西門子、飛利浦和通用電氣3個進(jìn)口廠家各場強(qiáng)的7種型號，總計41臺磁共振機(jī)器，其中有3臺設(shè)備由于指標(biāo)檢測信息缺失未納入統(tǒng)計，故實際統(tǒng)計為38臺，見表1。

表1 實驗設(shè)備信息表

1.2 測試方法

Magphan SMR 170體模和ACR體模的數(shù)據(jù)由相同的測試參數(shù)和計算方式獲得，同一設(shè)備的兩種體模測試時間間隔≤30 min。①ACR體模掃描參數(shù)：自旋回波(spin echo，SE)序列，層數(shù)為11層，層間距為5 mm，重復(fù)時間(repetition time，TR)500 ms，回波時間(echo time，TE)20 ms，像素帶寬130 Hz，層厚5 mm，矩陣256×256，視野250 mm，激勵次數(shù)1(場強(qiáng)≥3.0 T)或2(1.0 T＜場強(qiáng)≤1.5 T)或3(場強(qiáng)≤1.0 T)；②Magphan SMR 170體模掃描參數(shù)：層數(shù)為4層，層間距20 mm，其余與ACR體模相同。

研究人員測量了相應(yīng)的MRI的QC指標(biāo)，包括信噪比、影像均勻性、空間分辨率、層厚、偽影和幾何畸變率等。為了分析兩種體模檢測結(jié)果的優(yōu)劣，基于R Project統(tǒng)計分析軟件開發(fā)了不同的相關(guān)性模型和回歸模型。

2 結(jié)果

2.1 兩種體模不分場強(qiáng)的檢測結(jié)果

ACR體模和Magphan SMR 170體模測試得到的信噪比、影像均勻性、層厚、空間分辨率、偽影及幾何畸變各指標(biāo)結(jié)果的分布如圖1所示，所有數(shù)據(jù)按照Magphan SMR 170體模結(jié)果降序排列。

圖1 不分場強(qiáng)時各指標(biāo)分布圖

圖1顯示，信噪比和影像均勻性在Magphan SMR 170體模所測結(jié)果降序排列時，在ACR體模的結(jié)果并未呈現(xiàn)出相應(yīng)的下降趨勢。ACR體模下的信噪比值集中在470，影響均勻性集中在0.95?？臻g分辨率、幾何畸變率、層厚和偽影在兩種不同體模的測量結(jié)果表現(xiàn)趨勢大致相同。

采用皮爾遜相關(guān)性檢驗對兩種體模的6個指標(biāo)相關(guān)性進(jìn)行分析，其層厚、空間分辨率、偽影和幾何畸變率均通過了相關(guān)性檢驗，其結(jié)果見表2。

表2 Magphan SMR 170體模與ACR體模各指標(biāo)的皮爾遜相關(guān)性檢驗

采用線性回歸對層厚、空間分辨率、偽影和幾何畸變率4個指標(biāo)進(jìn)行分析，其結(jié)果見表3。

表3 各指標(biāo)線性回歸結(jié)果

表3顯示，層厚和偽影具有較強(qiáng)的相關(guān)性，其R2達(dá)到了0.74和0.66。層厚、空間分辨率、偽影和幾何畸變率4個指標(biāo)的4個線性回歸方程結(jié)果分別為：

2.2 兩種體模分場強(qiáng)的檢測情況

場強(qiáng)為0.35 T、0.5 T和3.0 T時，Magphan SMR 170體模測試得到的信噪比大多處于50以下，1.5 T信噪比偏高。而ACR體模得到的信噪比值隨著場強(qiáng)的提高而增加，這和實際情況更吻合(場強(qiáng)越大，信噪比越高)。Magphan SMR 170體模測試得到的影像均勻性較ACR體模的分布分散，層厚值在2個體模測試結(jié)果中表現(xiàn)都較為平穩(wěn)。對于偽影，場強(qiáng)為0.5 T時，偽影表現(xiàn)得最為分散，且偽影值在兩種體模下都較高。不考慮0.5 T場強(qiáng)時，場強(qiáng)越高，偽影值越小。對于幾何畸變率，ACR體模標(biāo)準(zhǔn)下，場強(qiáng)越高，則幾何畸變率越低。而Magphan SMR 170體模測試結(jié)果顯示，0.5T時的幾何畸變率最高，其余場強(qiáng)的幾何畸變率值分布均勻。不同場強(qiáng)下各指標(biāo)的檢測結(jié)果分布情況如圖2所示。

圖2 分場強(qiáng)時各指標(biāo)分布圖

通過統(tǒng)計分析軟件，計算出同一指標(biāo)在不同場強(qiáng)下兩種體模測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)方差(見表4)。

表4顯示，對于信噪比和空間分辨率，其檢測值于Magphan SMR 170體模標(biāo)準(zhǔn)下更穩(wěn)定；層厚在0.5 T時，Magphan SMR 170體模檢測結(jié)果更穩(wěn)定，其余場強(qiáng)下ACR體模檢測結(jié)果更穩(wěn)定；其余指標(biāo)在各個場強(qiáng)下，穩(wěn)定性相同。不同場強(qiáng)下Magphan SMR 170體模與ACR體模檢測值相關(guān)性檢驗結(jié)果見表5。

各指標(biāo)在場強(qiáng)為1.5 T時的線性回歸分析其結(jié)果見表6。

表6 1.5 T場強(qiáng)下指標(biāo)線性回歸相應(yīng)分析結(jié)果

表4 同一指標(biāo)在不同場強(qiáng)下兩種體模測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)方差

表5 不同場強(qiáng)下Magphan SMR 170體模與ACR體模各指標(biāo)相關(guān)性檢驗值

因此，得到信噪比、影像均勻性、層厚、偽影、幾何畸變率和空間分辨率各指標(biāo)在1.5 T場強(qiáng)下的線性回歸方程結(jié)果分別為：

并得到層厚和空間分辨率在0.35 T場強(qiáng)下通過線性回歸檢驗的線性回歸方程結(jié)果分別為：

空間分辨率于0.5 T場強(qiáng)時，也通過了線性回歸檢驗，得到線性回歸方程結(jié)果為：

3 討論

Magphan SMR 170體模符合AAPM Report 28于1990推薦的技術(shù)要求，能滿足對磁共振的軸向面、冠狀面及矢狀面成像性能的檢測，允許測試者將測試板或立方體側(cè)面更改為三維結(jié)構(gòu)[14]。ACR體模節(jié)省了寶貴的MRI時間—約每周30 min、每年26 h，也能夠兼容大多數(shù)MRI設(shè)備[15-16]。

本研究通過這兩種MRI性能測量體模對各種型號的MRI設(shè)備進(jìn)行測量，利用相關(guān)性檢驗和回歸分析，發(fā)現(xiàn)信噪比與影像均勻性在兩種體模下的表現(xiàn)不存在線性相關(guān)性，出現(xiàn)如此差異的原因與兩種體模的內(nèi)部構(gòu)件和信噪比計算方式有關(guān)。Magphan SMR 170體模測試的結(jié)果采用內(nèi)部信號與背景信號差值與內(nèi)部信號標(biāo)準(zhǔn)差的比值作為信噪比的結(jié)果，而ACR體模標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的是內(nèi)部信號值與背景信號標(biāo)準(zhǔn)差的比值作為信噪比的結(jié)果。

在測量影像均勻性時，Magphan SMR 170體模是采用溢流層影像內(nèi)若干大小相同的較小的感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)的最大值最小值計算，而ACR體模是通過調(diào)節(jié)窗寬、窗位找到溢流層影像內(nèi)信號最大和最小的區(qū)域，再采用若干較小ROI的最大值最小值來計算。從影像均勻性計算方式來看，ACR體模的標(biāo)準(zhǔn)更嚴(yán)苛，得到的數(shù)據(jù)具有更好的QC作用。其他的數(shù)個指標(biāo)，兩種體模測試的結(jié)果都具有一定的相關(guān)性，表明兩種體模的數(shù)據(jù)一致性好，均可作為QC的有效手段。其中，Magphan SMR 170體模有4個層面的4個方向共16個層厚測量模塊，在測量層厚時具有更高的精度，并且可以通過各個模塊和方向的層厚不均勻性衡量層厚測量的穩(wěn)定性和有效性。ACR體模只有一個層厚測量模塊，無法衡量測量結(jié)果的穩(wěn)定性和有效性。在測量分辨率時，ACR體?？梢酝瑫r測量X軸方向和Y軸方向，而Magphan SMR 170體模需要改變編碼方向單獨測量另一個方向的分辨率，且更耗時；但ACR體模只有1.1 mm、1.0 mm和0.9 mm三種分辨率，而Magphan SMR 170體?？梢詼y量到的分辨率范圍為0.45～5 mm，具有更高的精度。

本研究在對各場強(qiáng)分析時發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行信噪比測試時Magphan SMR 170體模的結(jié)果在1.5 T時值最大，而ACR體模的結(jié)果隨著場強(qiáng)增加而增大，這和實際情況更符合。相關(guān)性分析時，僅在1.5 T時，各指標(biāo)通過相關(guān)性檢驗，這是因為其他場強(qiáng)采集的設(shè)備數(shù)量太少，最多只有6臺，而1.5 T有24臺。究其原因是1.5 T的MRI設(shè)備的價格適中，可滿足臨床診斷需求，是目前各醫(yī)療機(jī)構(gòu)主流的設(shè)備；而1.5 T以下的設(shè)備雖然價格便宜，其圖像質(zhì)量僅能滿足一部分臨床需要，正逐漸被淘汰；同時，3.0 T設(shè)備雖然提高了圖像質(zhì)量和診斷準(zhǔn)確率，但其價格高昂，且診斷率的提高也有限，不會作為一些經(jīng)費有限的醫(yī)療機(jī)構(gòu)的首選設(shè)備。

4 結(jié)論

Magphan SMR 170體模和ACR體模在測量層厚、空間分辨率、偽影和幾何畸變率4個指標(biāo)時具有較好的一致性，均可作為QC的有效手段。在1.5 T場強(qiáng)下，所有指標(biāo)均存在線性相關(guān)關(guān)系。Magphan SMR 170體模的信噪比、空間分辨率和0.5 T層厚檢測值更穩(wěn)定，ACR體模除0.5 T外其他場強(qiáng)的層厚檢測值更穩(wěn)定。其余指標(biāo)在各個場強(qiáng)下，兩個體模的穩(wěn)定性相同。

Magphan SMR 170體模在測量層厚和空間分辨率具有更高的精度但較耗時；ACR體模在測量信噪比和影像均勻性具有更優(yōu)的QC意義且耗時短。因此，可根據(jù)QC不同的目的選擇不同的體模。在日常QC時，為節(jié)省時間可選擇ACR體模作為檢測工具；在每周或者更長周期的QC時，可選用Magphan SMR 170體?；蛘呓Y(jié)合ACR體模作為檢測工具。