醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)質(zhì)量控制圖像均勻度檢測方法的研究

林迪逵，吳劍威 ，付麗媛，熊暉，陳自謙

聯(lián)勤保障部隊第900醫(yī)院（原南京軍區(qū)福州總醫(yī)院）a.醫(yī)學(xué)工程科/福建省醫(yī)學(xué)裝備管理質(zhì)量控制中心；b.放射診斷科，福建福州350025

引言

圖像均勻度是指當(dāng)成像對象是均勻物質(zhì)時，醫(yī)用磁共振成像（Magnetic Resonance Imagine，MRI）系統(tǒng)在整個掃描體區(qū)域產(chǎn)生相同信號響應(yīng)的能力。MRI圖像的不均勻可能是由許多因素引起的，包括：靜態(tài)磁場的不均勻性（B0不均勻性）、射頻場的不均勻性（B1不均勻性）、梯度脈沖校準(zhǔn)或渦流校正的不足等[1]。MRI質(zhì)量控制（Quality Control，QC）程序通過檢測圖像均勻度，允許對相關(guān)成像系統(tǒng)性能狀態(tài)進行校正，以獲得高質(zhì)量的MRI臨床診斷圖像[2-3]。

現(xiàn)行業(yè)內(nèi)執(zhí)行的MRI圖像均勻度檢測方法主要包括均勻分布法和窗寬窗位法。兩種檢測方法的實施策略與相應(yīng)的技術(shù)特點都存在顯著差異，導(dǎo)致二者對同一目標(biāo)圖像的檢測結(jié)果將出現(xiàn)偏差，其針對成像系統(tǒng)性能的評價結(jié)果無法實現(xiàn)等價。針對磁共振圖像均勻度檢測技術(shù)，國內(nèi)學(xué)者張默等[4]主要討論兩種類型的體模結(jié)構(gòu)在均勻度檢測中的適用性。熊暉等[5]則基于ACR體模，研究調(diào)值法（等同于本文所述窗寬窗位法）與最值法的檢測一致性，認為兩者一致性良好但調(diào)值法具備較高的檢測精度，宋雙等[6]的相關(guān)研究也證實了這一結(jié)論。歷史研究普遍受限于體模類型，對均勻分布法和窗寬窗位法兩種主流圖像均勻度檢測方法的對比分析并未在同一檢測環(huán)境下進行，測量穩(wěn)定性等相關(guān)討論也未涉及。基于上述研究背景，本文認為有必要對均勻分布法和窗寬窗位法兩種主流MRI圖像均勻度檢測方法開展平行條件下的實驗對比研究，探討檢測方法對于評價成像系統(tǒng)性能的客觀性以及對設(shè)備性能初始問題的敏感性。

1 材料與方法

1.1 成像對象與掃描參數(shù)

成像對象選用Magphan SMR170 MRI性能測試體模。掃描采用自旋回波成像脈沖序列（Spin-Echo，SE），TR=500ms，TE=30 ms，F(xiàn)OV=24 cm×24 cm，Matrix=256×256，激勵次數(shù)為1次，單層掃描層厚為5mm，接收帶寬為156Hz/pixel。對6臺MRI設(shè)備實施圖像均勻度檢測程序。

1.2 圖像均勻度檢測方法

1.2.1 均勻分布法

在圖像均勻性測試層面測量感興趣區(qū)域（Measurement Region of Interest，MROI）內(nèi)選取1個中心測量感興趣子區(qū)域 （Measurement Subregion of Interest，SROI） 和 8 個 邊 緣SROI為測量感興趣區(qū)域。8個邊緣SROI中心與圖像中心SROI的連線與圖像縱軸分別成大概 0、45°、90°、135°、180°、225°、270°和315°的角度；SROI的面積大小在1～2 cm2（大約包含100個像素點），見圖1。選取上述9個SROI信號強度均值中的最大值（Smax）和最小值（Smin），代入式(1)計算圖像均勻度U1。

1.2.2 窗寬窗位法

在圖像均勻性測試層面MROI內(nèi)，設(shè)置窗寬至最小，調(diào)整窗位找出窗口內(nèi)最高信號強度區(qū)域，將SROI（面積約為100 mm2）定位在此高信號強度區(qū)域，該區(qū)域的信號強度均值記為Smax；設(shè)置窗寬至最小，調(diào)整窗位找出窗口內(nèi)最低信號強度區(qū)域，將SROI（面積約為100 mm2）定位在此低信號強度區(qū)域，該區(qū)域的信號強度均值記為Smin，見圖2，代入式(1)計算圖像的均勻度U2。

圖1 均勻分布法檢測示例

圖2 窗寬窗位法檢測示例

1.3 統(tǒng)計學(xué)方法

采用配對t檢驗（正態(tài)分布）或Wilcoxon檢驗（非正態(tài)分布）評價兩種檢測方法測量的一致性；P<0.05認為差異有統(tǒng)計學(xué)意義[7]。采用變異系數(shù)（Coefficient of Variation，CV）評價同種方法前后兩次測量結(jié)果的變異程度，變異程度小則認為該檢測方法的測量重復(fù)性好[8]。

2 結(jié)果

對6臺MRI設(shè)備實施圖像均勻度檢測程序。由同一質(zhì)量控制技術(shù)人員于同一影像歸檔和通信系統(tǒng)（Picture Archiving and Communication Systems，PACS），在短時間內(nèi)分別采用均勻分布法和窗寬窗位法對測試層面前后各行2次均勻度檢測[9-10]。

兩種檢測方法下各行2次均勻度檢測MROI內(nèi)信號強度最小值與最大值的測量結(jié)果，見表1。

表1 兩種檢測方法下MROI內(nèi)信號強度最小值與最大值的測量結(jié)果

兩種檢測方法下各行2次均勻度檢測的結(jié)果及相應(yīng)的變異系數(shù)值見表2；對檢測結(jié)果采用配對t檢驗行差異顯著性檢驗得P=0.19>0.05，認為兩種檢測方法的測量一致性良好；相較于窗寬窗位法，均勻分布法高估圖像均勻度，見圖3；均勻分布法測量結(jié)果的變異系數(shù)均大于0.16%，窗寬窗位法測量結(jié)果的變異系數(shù)除設(shè)備3之外，均小于0.09%；6次實驗，窗寬窗位法測量結(jié)果的變異系數(shù)除均小于均勻分布法，即窗寬窗位法的測量重復(fù)性優(yōu)于均勻分布法，見圖4。

表2 兩種檢測方法下圖像均勻度的測量結(jié)果和相應(yīng)的變異系數(shù)值

圖3 兩種檢測方法下圖像均勻度測量值比較

圖4 兩種檢測方法測量結(jié)果的變異系數(shù)（測量重復(fù)性）比較

3 討論

現(xiàn)行業(yè)內(nèi)執(zhí)行的兩種MRI圖像均勻度檢測方法，均勻分布法常見于國內(nèi)各省市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布的醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)校準(zhǔn)規(guī)范中，廣泛應(yīng)用于我國醫(yī)療機構(gòu)針對新安裝、使用中和影響成像性能的部件修理后磁共振成像系統(tǒng)的現(xiàn)場校準(zhǔn)[11-13]；窗寬窗位法相關(guān)實施程序則是由美國放射學(xué)院（American College of Radiology，ACR）的質(zhì)量和安全委員會負責(zé)認證[14]，國內(nèi)部分地方計量技術(shù)規(guī)范/檢定規(guī)程也對其進行引用[15]。兩種檢測方法均利用MROI內(nèi)像素灰度的偏差程度定量描述圖像均勻度，但對于高低信號強度值區(qū)域定位方式的不同，導(dǎo)致兩者對同一目標(biāo)質(zhì)控圖像的評價結(jié)果將有所差異。

3.1 測量一致性

兩種均勻度檢測方法測量結(jié)果差異無統(tǒng)計學(xué)意義，即測量一致性良好，所以在不考慮測量穩(wěn)定性的條件下，一般認為兩者可以相互取代。均勻分布法利用先驗知識，認為信號強度最小值在體膜中央?yún)^(qū)域，而信號強度最大值則會出現(xiàn)在四周結(jié)構(gòu)附近區(qū)域，這種極值區(qū)域的尋找方式具有猜測性與隨機性，特別當(dāng)感興趣區(qū)域信號強度均勻性發(fā)生異?；蛘叱霈F(xiàn)偽影的時候，均勻分布法所構(gòu)造的9個SROI往往無法將極值區(qū)域包絡(luò)在內(nèi)。窗寬窗位法則通過調(diào)節(jié)目標(biāo)圖像的對比度與亮度進行定位，該策略能夠準(zhǔn)確發(fā)掘MROI內(nèi)成像信號強度極值的發(fā)生區(qū)域，這也決定了窗寬窗位法測量到的信號強度最大值普遍大于均勻分布法測量到的信號強度最大值，信號強度最小值將小于均勻分布法測量到的信號強度最小值，見表1。故窗寬窗位法的均勻度測量值普遍低于均勻分布法的測量值，但實際上，將更接近圖像真實的均勻度。

3.2 測量重復(fù)性

臨床上，MRI圖像質(zhì)量的明顯改變可以在常規(guī)臨床工作中被發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量控制程序也必然將對其作出反應(yīng)，但是質(zhì)量控制的意義遠遠不在于此，其更重要、更根本的目標(biāo)在于對圖像質(zhì)量細微改變的檢測，這些細微改變可能來源于常規(guī)臨床工作中無法發(fā)現(xiàn)的MRI程序或系統(tǒng)錯誤，在系統(tǒng)故障產(chǎn)生的初期對其隔離、解決，降低設(shè)備運行風(fēng)險。在設(shè)備驗收初期，質(zhì)量控制程序要求建立成像系統(tǒng)基準(zhǔn)性能，為后續(xù)性能核準(zhǔn)提供對照。可以說，實現(xiàn)對成像系統(tǒng)性能狀態(tài)細微波動的監(jiān)測，我們在討論檢測結(jié)果是否接近真實值的同時，保證檢測方法在測量上的穩(wěn)定性更為重要。本文利用同種檢測方法前后兩次測量結(jié)果的變異系數(shù)，即測量重復(fù)性，來定量描述檢測方法在測量上的穩(wěn)定性。

實驗結(jié)果表明，窗寬窗位法具有更高的檢測穩(wěn)定性。由于上述兩種圖像均勻度檢測方法都需要人工操作介入，所以將不可避免引入隨機測量誤差。其中均勻分布法需要手動繪制9個SROI，每個SROI的面積與位置都會作為隨機擾動項影響均勻度的檢測結(jié)果，測量穩(wěn)定性嚴(yán)重依賴質(zhì)量控制技術(shù)人員的操作熟練程度。較均勻分布法，窗寬窗位法依靠對比度與亮度信息，直接定位信號強度極值出現(xiàn)的位置與范圍，操作人員感覺器官的生理變化對檢測過程的干預(yù)較弱，檢測結(jié)果能夠最大限度描述因設(shè)備故障導(dǎo)致的圖像均勻度的實際微小變化，對性能初始問題具備高度敏感性。同時，窗寬窗位法無需繪制多個SROI，省去大量位置微調(diào)、數(shù)據(jù)比較等繁瑣程序，檢測過程更為快速與便捷。

4 結(jié)論

本文對醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)質(zhì)量控制圖像均勻度檢測方法進行實驗對比分析，研究結(jié)果表明，相較于均勻分布法，窗寬窗位法具備以下優(yōu)勢：①檢測結(jié)果更接近圖像真實均勻度；②對設(shè)備性能初始問題具備較高敏感性；③檢測程序快速便捷。故本文認為，醫(yī)療機構(gòu)在開展MRI圖像均勻度檢測工作，可優(yōu)先選擇窗寬窗位法，保證質(zhì)量控制程序能夠客觀評價成像系統(tǒng)性能狀態(tài)，有效控制成像設(shè)備臨床運行風(fēng)險。