一種磁共振設(shè)備信噪比自動(dòng)估算方法

李琛偉，羅暉，嚴(yán)昂，黃輝，陳偉，曹揚(yáng)

1. 中南大學(xué) 醫(yī)院管理研究所，湖南 長(zhǎng)沙 410008；2. 中南大學(xué)湘雅醫(yī)院 a. 醫(yī)學(xué)裝備部；b. 放射科，湖南 長(zhǎng)沙 410008

引言

信噪比（Signal to Nosie Ratio，SNR）作為磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）系統(tǒng)一項(xiàng)基礎(chǔ)性能參數(shù)，反映了圖像的信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值，是磁共振質(zhì)量控制中重要的評(píng)價(jià)項(xiàng)目[1-6]。傳統(tǒng)SNR評(píng)價(jià)方式是通過相關(guān)方法采集數(shù)據(jù)，人工計(jì)算出結(jié)果與統(tǒng)一處置界限進(jìn)行比較[7-15]。這種方式在評(píng)價(jià)高場(chǎng)強(qiáng)磁共振設(shè)備時(shí)存在一定的不足[16-17]。美國(guó)放射學(xué)會(huì)（American College of Radiology，ACR）提出了一種對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤，通過對(duì)比性能數(shù)據(jù)變化進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)的方式。但是方法中仍使用了傳統(tǒng)SNR采集方法[18]。

本文研究并討論了傳統(tǒng)SNR采集方法用于跟蹤評(píng)價(jià)設(shè)備性能時(shí)存在的不足，并提出了一種適用于跟蹤設(shè)備性能的SNR數(shù)據(jù)計(jì)算方法。

1 SNR跟蹤評(píng)價(jià)

MRI系統(tǒng)SNR跟蹤評(píng)價(jià)的總體思路，是在設(shè)備合格驗(yàn)收后進(jìn)行性能采集作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。在使用過程中按照一定周期進(jìn)行性能采集。通過對(duì)比每次采集數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)。國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)提出了多種采集方法，其中常用的是單幅圖像采集方法。

1.1 單幅圖像采集方法

單幅圖像采集方法的思路是通過掃描內(nèi)部充滿均勻溶液的體模，通過成像中體模區(qū)域和空氣區(qū)域的像素平均值、標(biāo)準(zhǔn)差來計(jì)算SNR。國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)提出了各自的計(jì)算方法。

（1）ACR采集方法：ACR提出的單幅圖像檢定方法，

用式(1)表示：

其中，Mean Signal表示體模區(qū)域的信號(hào)均值，σair表示背景空氣區(qū)域的信號(hào)值標(biāo)準(zhǔn)差。

（2）JJG(湘)015-2004采集方法：湖南省地方計(jì)量檢定規(guī)程中提出采集方法，用式(2)表示：

其中，Mean SignalPhantom表示體模區(qū)域的信號(hào)均值，Mean Signalair表示背景空氣區(qū)域的信號(hào)均值，σair表示背景空氣區(qū)域的信號(hào)值標(biāo)準(zhǔn)差。

國(guó)內(nèi)方法計(jì)算SNR時(shí)考慮了空氣區(qū)域像素均值，在分割空氣區(qū)域時(shí)建議在圖像四個(gè)角各圈出一個(gè)測(cè)量區(qū)域。國(guó)外方法則建議在圖像的頻率編碼方向盡可能大的圈出測(cè)量區(qū)域。

1.2 不穩(wěn)定性分析

磁共振圖像中像素值存在一定的分布差異[19-20]。如圖1所示，在同一圖像中選取三個(gè)不同位置空氣區(qū)域，均值和標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)出越靠近模體像素值越高的特征。這導(dǎo)致同一次檢測(cè)中，不同的選點(diǎn)會(huì)測(cè)量出差異較大的SNR值，如表1數(shù)據(jù)所示。圖1c位置SNR計(jì)算結(jié)果為2589，圖1a計(jì)算結(jié)果為1359，兩者存在較大差異。

圖1 人工提取背景區(qū)域

表1 SNR人工測(cè)量數(shù)據(jù)

同時(shí)，體模與空氣交界處存在信號(hào)泄露區(qū)域[18]，如圖1d中所示。人員主觀選擇時(shí)，需要調(diào)節(jié)窗寬窗位避免這些區(qū)域，這降低了工作效率?；谝陨戏治?，本文提出了一種基于區(qū)域梯度分割的SNR采集方法，改善以上不足。

2 基于區(qū)域梯度分割的采集方法

算法流程如圖2所示，主要有三個(gè)環(huán)節(jié)：分割體模區(qū)域、分割空氣區(qū)域和進(jìn)行SNR計(jì)算。

圖2 基于區(qū)域梯度分割的SNR檢定方法流程

2.1 體模區(qū)域分割

根據(jù)Magphan SMR 170體模的SNR測(cè)試切面結(jié)構(gòu)特征，尋找圖像中的連通域，篩選出符合模體中心邊長(zhǎng)、面積特征的矩形均勻區(qū)域。以矩形中心為圓心，選取最終的圓形區(qū)域，按照計(jì)量手冊(cè)要求，圓面積不得低于矩形區(qū)域的70%。

2.2 空氣區(qū)域分割

空氣成像區(qū)域具體表現(xiàn)為低像素值，具體提取算法流程如圖3所示。首先對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，使用大津閾值化方法分割出整個(gè)體模區(qū)域；使用梯度值圖像，結(jié)合圖像開閉運(yùn)算，估計(jì)出信號(hào)泄漏區(qū)域。將體模區(qū)域和信號(hào)泄漏區(qū)域合并，圖像剩余為背景空氣區(qū)域。

圖3 背景區(qū)域分割流程

2.3 SNR計(jì)算

分別計(jì)算出體模信號(hào)均值，背景信號(hào)均值及標(biāo)準(zhǔn)差，使用式(2)可求得到SNR結(jié)果。

3 實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)分析

3.1 分割過程

圖4為體模區(qū)域分割過程。首先使用算法檢出SNR測(cè)試切面矩形區(qū)域，根據(jù)矩形邊長(zhǎng)尺寸最終得到模體中心的圓形區(qū)域（選圓直徑為邊長(zhǎng)×0.95）。

圖4 體模區(qū)域提取

圖5為空氣區(qū)域提取過程。首先使用大津閾值化方法以及開閉運(yùn)算求出的整個(gè)模體所在區(qū)域，調(diào)節(jié)窗位窗寬后觀察到信號(hào)泄漏現(xiàn)象。計(jì)算出梯度圖像后，進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理，得到信號(hào)泄漏所在區(qū)域。將信號(hào)泄漏區(qū)域和模體區(qū)域合并，求反得到最終空氣區(qū)域。

圖5 背景區(qū)域提取

3.2 結(jié)果

本文對(duì)一臺(tái)3.0 T磁共振2018年7月至2019年6月期間SNR進(jìn)行跟蹤，采集了各月份共計(jì)12次的數(shù)據(jù)。分別使用傳統(tǒng)方法和本文方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到結(jié)果如表2所示。

表2 SNR測(cè)量數(shù)據(jù)

以數(shù)據(jù)采集時(shí)間為坐標(biāo)橫軸，計(jì)算結(jié)果值為坐標(biāo)縱軸，得到數(shù)據(jù)分布圖如圖6所示。

圖6 SNR測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比圖

相關(guān)研究指出在劃分空氣信號(hào)區(qū)域時(shí)，應(yīng)盡可能地包含除信號(hào)泄漏、信號(hào)截止以外的背景區(qū)域[18]。本文方法從背景區(qū)域中分割出信號(hào)泄漏區(qū)域，將剩余區(qū)域全部劃分為空氣區(qū)域。這種方式導(dǎo)致選定面積增大，像素值波動(dòng)增加，標(biāo)準(zhǔn)差增加，從而計(jì)算均值較傳統(tǒng)方法整體偏小。

使用傳統(tǒng)單次人工方法計(jì)算均值及標(biāo)準(zhǔn)差為1448±302，使用多次測(cè)量計(jì)算得均值及標(biāo)準(zhǔn)差為1305±126。多次測(cè)量降低了單次測(cè)量中的隨機(jī)誤差，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)上表現(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)差相對(duì)減小。本文方法計(jì)算均值及標(biāo)準(zhǔn)差結(jié)果為1084±76，其標(biāo)準(zhǔn)差低于多次測(cè)量方法，證明其數(shù)據(jù)波動(dòng)更小。

在使用性能跟蹤的思路對(duì)磁共振進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)盡可能減少人為因素造成的數(shù)據(jù)波動(dòng)。因?yàn)檫@種波動(dòng)無法真實(shí)描述設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況。本文選取了同時(shí)期實(shí)際患者序列，由兩組醫(yī)生進(jìn)行圖像質(zhì)量主管評(píng)價(jià)，其中10分表示圖像噪聲低、質(zhì)量?jī)?yōu)秀，0分表示圖像噪聲大、質(zhì)量差。如表3所示，由醫(yī)生評(píng)價(jià)可知該階段設(shè)備性能無較大起伏。

表3 圖像噪聲評(píng)價(jià)（分）

4 討論

本文對(duì)磁共振設(shè)備質(zhì)量控制工作現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，并探討了國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)的SNR評(píng)價(jià)方式。在已有方法中，常通過設(shè)置統(tǒng)一的處置界限對(duì)設(shè)備的SNR進(jìn)行評(píng)價(jià)。這種界限設(shè)置的方式在不同生產(chǎn)廠商設(shè)備之間難以統(tǒng)一。同時(shí)場(chǎng)強(qiáng)越高的磁共振，SNR數(shù)值越大，這也導(dǎo)致界限設(shè)置需考慮設(shè)備類型的差異。ACR提倡使用設(shè)備性能跟蹤的方式，通過對(duì)比設(shè)備自身性能變化反映設(shè)備的性能狀態(tài)。本文討論了傳統(tǒng)SNR計(jì)算方法使用在設(shè)備性能跟蹤時(shí)存在的局限，提出了一種適用于跟蹤設(shè)備性能的SNR計(jì)算方法。

在傳統(tǒng)計(jì)算方法中，國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程采用的單幅圖像計(jì)算方式，需要人工選定背景中的空氣區(qū)域。由于圖像背景像素均值和標(biāo)準(zhǔn)差呈現(xiàn)出越靠近模體數(shù)值越高的特點(diǎn)，以及模體與空氣交界處存在信號(hào)泄漏現(xiàn)象。人工選定區(qū)域的不確定性會(huì)引起同一數(shù)據(jù)獲得較大差別的計(jì)算結(jié)果，從而導(dǎo)致性能評(píng)價(jià)的不準(zhǔn)確。有研究提出了一種ACR模體的自動(dòng)檢測(cè)方法[21]，但沒有考慮到信號(hào)泄漏區(qū)域。本文提出的SNR計(jì)算方法，目標(biāo)為國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)更傾向使用的Magphan SMR 170模體。使用圖像處理算法自動(dòng)分割出圖像中模體和信號(hào)泄漏區(qū)域，以一種最大化思路選定空氣區(qū)域進(jìn)行SNR計(jì)算，避免了人工選定空氣區(qū)域的不確定性，同時(shí)也提高了數(shù)據(jù)處理效率。

通過對(duì)一臺(tái)3.0 T磁共振一年12次SNR采集數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。本文方法得出結(jié)果最大值為1185，最小值為970，傳統(tǒng)方法得出結(jié)果最大值1899，最小值1033。本文方法統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差、數(shù)值波動(dòng)要明顯低于傳統(tǒng)方法。使用傳統(tǒng)方法多次測(cè)算數(shù)據(jù)，得到結(jié)果波動(dòng)相對(duì)減小。因此本文推測(cè)傳統(tǒng)方法出現(xiàn)的較大波動(dòng)，一定程度是由于選取空氣區(qū)域位置的差異導(dǎo)致，這種數(shù)據(jù)波動(dòng)無法真實(shí)描述設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行情況。本文收集了臨床人員對(duì)同時(shí)期檢查圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了同時(shí)期圖像噪聲情況并無較大區(qū)別。因此本文認(rèn)為使用該方法，能夠獲取更加客觀、不受人為誤差影響的設(shè)備SNR評(píng)價(jià)。

高質(zhì)量的醫(yī)學(xué)影像對(duì)醫(yī)務(wù)人員的臨床診斷至關(guān)重要。MRI設(shè)備性能可靠性會(huì)隨著臨床使用時(shí)間和頻度的增加而降低。醫(yī)療機(jī)構(gòu)開展磁共振設(shè)備質(zhì)量控制工作具有重要意義。現(xiàn)有質(zhì)檢方法費(fèi)時(shí)且檢測(cè)模體不易使用，檢測(cè)參數(shù)受主觀因素影響較大，使結(jié)果科學(xué)性降低。實(shí)現(xiàn)磁共振質(zhì)量圖像多個(gè)參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)，將降低對(duì)質(zhì)檢人員的技術(shù)需求，獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果，同時(shí)節(jié)省大量時(shí)間，提高檢測(cè)效率。