張 夢

基于質(zhì)量控制的磁共振成像系統(tǒng)周期性圖像性能測試方法

張 夢①

磁共振成像(MRI)系統(tǒng)質(zhì)量控制的目的是為保證MRI設(shè)備圖像質(zhì)量，確保MRI圖像的真實可靠，以滿足臨床診斷對圖像質(zhì)量的需求。依據(jù)國家醫(yī)藥行業(yè)標準以及醫(yī)療診斷對MRI技術(shù)的要求，采用周期性圖像性能測試方法，對圖像信噪比、均勻性、偽影、幾何畸變、層厚及空間分辨力等性能參數(shù)進行周期性測試；按照數(shù)據(jù)偏差的嚴重性將檢測周期規(guī)定為3～6個月。將測試數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析，判斷設(shè)備各項系統(tǒng)性能是否達到質(zhì)量評價標準和穩(wěn)定性質(zhì)量保證，確保醫(yī)學(xué)影像符合診斷標準，保證影像質(zhì)量，降低設(shè)備的故障率，發(fā)現(xiàn)更優(yōu)的測試方法。通過對MRI影像檢查的圖像質(zhì)量進行控制，為臨床診斷提供優(yōu)質(zhì)的MR圖像。

質(zhì)量控制；圖像性能測試；質(zhì)量參數(shù)；測試模塊

[First-author’s address] Department of Medical Engineering, National Center for Geriatric Medicine of Beijing Hospital, Beijing 100730, China.

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)的原理是將人體放置于特殊磁場后，施加一個射頻脈沖激發(fā)人體內(nèi)氫原子產(chǎn)生共振并吸收能量，在射頻脈沖停止后，氫原子按特定頻率發(fā)出射電信號并釋放出所吸收能量，將得到的信號進行加權(quán)處理并計算重建出人體信息[1]。MRI成像系統(tǒng)的精確度是對于疾病的早期診斷和預(yù)防的質(zhì)量保證，影響圖像質(zhì)量準確性和可靠性的因素包括設(shè)備的外部環(huán)境和內(nèi)部環(huán)境，當(dāng)設(shè)備處于一個穩(wěn)定的外部環(huán)境下，設(shè)備的性能會因長期使用及其他因素發(fā)生偏差。MRI設(shè)備成像需要嚴格、復(fù)雜的成像參數(shù)，為保證圖像質(zhì)量需要對關(guān)鍵圖像質(zhì)量參數(shù)進行周期性質(zhì)量控制性能測試，包括信噪比、均勻性、偽影、幾何畸變、層厚以及空間分辨力等的測試[2]。按照設(shè)備性能特點從美國國家電氣制造商協(xié)會(NEMA)-MS 1-2008、YY/T 0482-2010“醫(yī)療成像磁共振設(shè)備主要圖像質(zhì)量參數(shù)的測定”和YY/T 0482-2004“醫(yī)療診斷用磁共振設(shè)備技術(shù)要求及時驗方法”標準中選擇適合的測試方法進行檢測，檢測周期按照數(shù)據(jù)偏差的嚴重性為3個月到半年，發(fā)現(xiàn)問題后及時校正，為此，本研究基于質(zhì)量控制的磁共振成像系統(tǒng)周期性圖像性能進行測試，其良好的圖像可以為臨床提供客觀、真實的診斷依據(jù)，使患者的疾病得到及時的發(fā)現(xiàn)及治療[3]。

1　測試方法

1.1信噪比測試

信噪比(signal noise ratio，SNR)即信號電平除以噪聲電平的商。信噪比測試采用NEMAMS1-2008中提出的第四種測試方法，將測試水模置于磁體中心測試區(qū)內(nèi)[4]。性能測試水模是一個樹脂玻璃的圓柱體，內(nèi)徑為200 mm，長度為110 mm，水模的支撐件可以直接卡在頭線圈上，具有固定位置用的銷和栓。水模在形狀上設(shè)計有2個槽，可以將其安穩(wěn)的固定在3個方位：即橫斷位“T“，矢狀位“S”和冠狀位“C”，與掃描的方位相對應(yīng)[5]。這3個位置由其對應(yīng)的大寫字母標識并正向?qū)蕶z查床。水模填充液體為CuSO4溶液，濃度是1 L水，770 mg的CuSO4·5H2O組成。水模包含了一系列的結(jié)構(gòu)，用來測量一些重要的圖像質(zhì)量指標。線圈選用系統(tǒng)頭線圈，設(shè)計在3個條件下進行掃描，掃描條件分別命名為QA1、QA2(系統(tǒng)頭線圈作為接收線圈)與QA3(系統(tǒng)體線圈作為接收線圈)。將接收線圈負責(zé)調(diào)至50～90 kg，更加貼近臨床檢查[6]。選用信噪比測試模塊，用診斷序列掃描，在模塊圖像中取31×31像素的圖像信號，求出平均值S即感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)內(nèi)測得平均像素值，再在背景圖像中取像素值為40×10像素的圖像信號，求出標準偏差SD，如果是單個線圈的幅度圖像，其圖像噪聲為公式1：

如果是實部圖像IN= SD，其信噪比為公式2：

1.2均勻性測試

均勻性(uniformity)是指在一副排除了噪聲或有限位獲取數(shù)據(jù)(截尾偽影)影響的均勻性測試模具圖像中，信號強度在空間上的恒定性[7]。測試結(jié)果以低空間頻率的非均勻性來表征磁共振圖像，采用與信噪比測試相同的水模，射頻線圈的加載不影響測試效果[8]。在ROI確定精度并求出其平均值，按照反常信號偏離ROI中心區(qū)域平均值的大小為每一個像素制定一個灰度等級[9]。指定信號偏離ROI中心區(qū)域平均值不足V%的像素為中性灰度等級，比ROI中心區(qū)域平均值大V%～2 V%的像素為更亮的下一級灰度等級，比ROI中心區(qū)域平均值大2 V%以上的像素指定為白色，比ROI中心區(qū)域平均值小2 V%以上的像素指定為黑色。用以下5個灰度等級表征圖像的非均勻性，C為圖像中心的ROI的像素信號均值[10]。

1.3偽影測試

偽影是指在圖像中可視的，既不反映物體內(nèi)的相應(yīng)結(jié)構(gòu)，也不是噪聲能解釋的影像。將水模放于磁場中心，通過計算來評估接收正交和相位編碼的誤差。采用與信噪比測試相同的水模，射頻線圈的加載不影響測試效果[11]。其為公式3：

式中G為偽影圖像的ROI(7×7像素)的最大信號平均值；GAL：偽影；B為背景圖像的ROI的信號平均值；R為圖像中心的信號平均值。通過對磁場等中心相反方向等距離的檢測圖像來評估發(fā)射正交誤差。

1.4幾何畸變測試

幾何畸變是指實際物體的影響位置與預(yù)期位置在空間上的偏差，仍采用上述測試模型，將其放置射頻接收線圈中心，采用自旋回波，層厚為5 mm，分別對水平和垂直方向進行評估。測量應(yīng)重復(fù)N點，測量的相鄰半徑夾角≤22.5o。其為公式4：

式中Lm為圖像上測量的尺寸；La為模型實際的尺寸。1.5 層厚測試

層厚為磁共振設(shè)備中片層剖面的半高寬(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)。水模中包含一個截面用來測量系統(tǒng)的掃描層厚。這個鑲嵌斜面包括兩個部分：①由兩個相對面的斜板組成的模具，兩個斜板之間間隔1 mm；②楔形件，兩個斜板和楔形件的角度都是11.3±0.17，楔形件用來測量層厚＜5 mm的掃描層面，其余都用斜板來測量。相對面的斜板也可以用來確定斜板相對于掃描平面的精確角度[12]。

測量的片層剖面和層厚依賴于脈沖序列類型、射頻脈沖形狀，多采用二維單自旋回波，依次掃描橫斷面、矢狀面及冠狀面。設(shè)定斜板某方向為X，Xi位置像素強度為S(Xi)，層厚為S(Xi)的半高寬與tanα的積。α角是斜板的斜面與圖像的一個軸形成的角度，范圍在8o～12o之間[13]。測試參數(shù)報告應(yīng)包括如下：傾斜角、半高寬、滿寬度、空間分辨力及板厚。

1.6空間分辨力測試

空間分辨力是指MRI設(shè)備中當(dāng)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)的幅度超過所需閾值時的最高空間頻率的倒數(shù)的一半值[14]。水模中的這個截面用來測量系統(tǒng)的空間分辨力，鑲嵌件是20 mm厚的圓盤，里面有個50 mm×50 mm方形洞，旋轉(zhuǎn)的角度為11.31o，洞中心到截面中心的距離是50 mm?？臻g分辨率在頻率編碼和相位編碼方向都會測量到，這個截面也可以用來測試“鬼影”。射頻線圈加載不影響測試，采用二維單自旋回波，采集圖像應(yīng)包括實部和虛部并充分消除偽影[15]。

將分析圖像的平均不連續(xù)剖面進行微分得到線擴散函數(shù)，其為公式5：

將LSF(x)進行標準傅里葉變換得到調(diào)制傳遞函數(shù)， 其為公式6：

離散衍生的頻率響應(yīng)被權(quán)重因子消除，其為公式7：

2　質(zhì)量控制的重要性

MRI設(shè)備的系統(tǒng)周期性圖像性能測試是檢測成像系統(tǒng)生成的圖像質(zhì)量是否能達到系統(tǒng)的要求[15]。質(zhì)量控制是確保醫(yī)學(xué)影像符合診斷標準，保證影像質(zhì)量的重要工作，其重要性在于能夠降低設(shè)備的故障率，保證圖像質(zhì)量，使檢查結(jié)果最大限度的接近真實病灶而避免任何差錯或偽影，為臨床提供客觀和真實的診斷依據(jù)，確?；颊叩玫郊皶r診斷和治療的根本保障[16]。只有當(dāng)患者的圖像檢查結(jié)果具有準確性和可靠性，其檢查才具有意義。當(dāng)測試圖像出現(xiàn)問題時需要對造成干擾的原因進行分析并有效控制，確認使用設(shè)備性能產(chǎn)生異常的原因并加以校正。任何一個環(huán)節(jié)和參數(shù)，都會影響MRI影像質(zhì)量，排查設(shè)備性能指標是否因為長時間的使用和周圍對磁場的干擾而發(fā)生偏差[17]。因此對于臨床檢查而言，周期性的質(zhì)量控制非常必要。

3　展望

在國家標準和行業(yè)標準以及NEMA標準中，有若干關(guān)于成像參數(shù)和系統(tǒng)性能測試的方法，應(yīng)根據(jù)設(shè)備自身特點選擇適合的方法進行測試。即使標準中沒有的方法，如果能夠通過標準的方法驗證，同時適用于設(shè)備也是可以使用的[18]。目前，在MRI設(shè)備圖像質(zhì)量參數(shù)的穩(wěn)定性和可靠性測試方法中，只有適合設(shè)備特點的測試方法，并沒有最佳、最優(yōu)先的方法，相信通過進行不斷的研究改進，以及質(zhì)量控制管理，使檢查圖像更好的為臨床診斷服務(wù)。

[1]張麗媛，康立麗，賀杰禹.MRI性能測試體模設(shè)計與實驗驗證[J].中國測試，2015，41(1)：124-128.

[2]王新寧.基于模糊聚類算法的腦MRI圖像分割[D].遼寧：大連理工大學(xué)，2015.

[3]付麗媛，梁永剛，倪萍，等.3.0T磁共振成像系統(tǒng)的質(zhì)量控制檢測[J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2016，13(3)：25-28.

[4]Yung J，Stefan W，Reeve D，et al.TU-F-CAMPUSI-05：Semi-Automated，Open Source MRI Quality Assurance and Quality Control Program for Multi-Unit Institution[J].Medical Physics，2015，42(6)：245-247.

[5]徐桓，趙慶軍，張秋實.一種磁共振成像裝置質(zhì)量控制測試體模的研制[J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2014，11(10)：83-85.

[6]Kecir K，Beaumont M，Chen B，et al.Quality control of cardiac MRI for tetralogy of Fallot：Combination of standard measurements and physiological analysis to detect invalid examinations[J].Archi Cardiovascular Diseases，2016，109(2)：349-351.

[7]Qiu J，Wang G，Min J，et al，Testing the quality of images for permanent magnet desktop MRI systems using specially designed phantoms[J]. Phys Med Biol，2013，58(24)：8677-8687.

[8]Bahadir R，Choli M，Skopnik K，et al.Phantom for testing of MRI image artefacts of interventional devices in MRI[J].Biomedizinische Technik，2014，6(3)：1617-1620.

[9]Yuan J，Wong O，Cheung K，et al.SU-F-J-153：ACR MRI Phantom Test On a 1.5T MRSimulator with Flexible Coils Setting and Performance Comparison to Volumetric Head Coil Setting[J].Medical Physics，2016，8(43)：369-374.

[10]玉碧堅，蘇毅.醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)(MRI)成像原理及其計量參數(shù)檢測的實驗研究[J].中國科技縱橫，2016(4)：118-119.

[11]Bai W，Shi W，Ledig C，et al.Multi-atlas segmentation with augmented features for cardiac MR images[J].Med Image Anal，2015，19(1)：98-109.

[12]Ortiz A，Gorriz JM，Ramirez J，et al.Improving MR brain image segmentation using selforganising maps and entropy-gradient clustering[J].Information Sciences，2014，262(3)：117-136.

[13]康立麗，張麗媛，楊紹洲.MRI斷層層厚測量方法研究[J].中國測試，2015(6)：116-120.

[14]孟炯.高場磁共振成像設(shè)備質(zhì)量控制探討[J].實用放射學(xué)雜志，2013，29(2)：330-331.

[15]Ben-Eliezer N，Shrot Y，F(xiàn)rydman L，et al. Parametric analysis of the spatial resolution and signal-to-noise ratio in super-resolved spatiotemporally encoded(SPEN)MRI[J].Magn Reson Med，2014，72(2)：418-429.

[16]Yokoo T，Yuan Q，Sénégas J，et al.Quantitative R2* MRI of the liver with rician noise models for evaluation of hepatic iron overload：Simulation，phantom， and early clinical experience[J].J Magn Reson Imaging，2015，42(6)：1544-1559.

[17]張忠，楊國財，楊珍.磁共振成像系統(tǒng)的質(zhì)量保證與質(zhì)量控制的經(jīng)驗探討[J].實用醫(yī)技雜志，2016，23(8)：145-146.

[18]官能成，倪萍，陳自謙.基于ACR體模的磁共振質(zhì)量控制自動評價系統(tǒng)[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2015，36(8)：95-97.

MRI imaging system of periodic image performance test based on quality control

ZHANG Meng// China Medical Equipment,2016,13(11):145-147.

To ensure the image quality of magnetic resonance imaging (MRI) equipment and the authenticity of the image, to meet the diagnostic requirements of image quality, so that access to the results have practical significance. According to the requirements of magnetic resonance equipment for medical diagnosis technology, the appropriate test method was selected for image quality parameters of periodic testing, including resolution ratio, uniformity, artifacts, geometric distortion, thickness and spatial noise. According to the seriousness of the deviation of the data, the required period of detection will be three months to half year. The test results of data were analyzed to determine the performance of the system equipment, meet the criteria of quality evaluation and quality assurance, ensure the stability of medical imaging accord with diagnostic standard, ensure image quality, reduce the equipment failure rate, and find the better test method. The image quality control of MRI imaging can provide MR image quality for clinical diagnosis, and is an important guarantee to influence the authenticity and reliability of the diagnosis.

Quality control; Image performance test; Quality parameter; Test module

張夢,女,(1985- ),碩士，助理工程師。北京醫(yī)院國家老年醫(yī)學(xué)中心醫(yī)學(xué)工程科，從事醫(yī)療設(shè)備的管理及維修工作。

1672-8270(2016)11-0145-03

R445.2

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2016.11.042

①北京醫(yī)院國家老年醫(yī)學(xué)中心醫(yī)學(xué)工程科 北京 100730

2016-08-04