林迪逵，倪萍，陳沖

1.福州大學 電氣工程與自動化學院，福建 福州 350116；2.南京軍區(qū)福州總醫(yī)院 醫(yī)學工程科，福建 福州 350025

關(guān)于MRI質(zhì)量控制中ROI對信噪比檢測影響的研究

林迪逵1,2，倪萍2，陳沖1

1.福州大學 電氣工程與自動化學院，福建 福州 350116；2.南京軍區(qū)福州總醫(yī)院 醫(yī)學工程科，福建 福州 350025

目的針對我國部分地方計量檢定規(guī)程所規(guī)定的MRI圖像信噪比（SNR）檢測方法，研究感興趣區(qū)域（ROI）比例的變化對信噪比檢測結(jié)果的影響，旨在提出合適比例的ROI，以提高圖像信噪比檢測程序的客觀性與準確性。方法基于SMR170體模，結(jié)合信噪比檢測原理，自行研制信噪比自動檢測模塊；利用該模塊準確檢測不同ROI下的圖像信噪比值，討論信噪比隨ROI的變化趨勢。結(jié)果ROI的比例變化對信噪比檢測結(jié)果有顯著影響，ROI越大，圖像噪聲值越大，相應(yīng)的圖像信噪比值越小。其中ROI比例為0～0.15時，信噪比呈迅速的變化趨勢；ROI比例為0.60～0.75時，信噪比呈平緩變化趨勢。結(jié)論建議ROI的選取比例為0.60～0.75之間，有效減小檢測者帶來的人工測量誤差，保證信噪比檢測程序的科學性，使檢測結(jié)果客觀反映成像系統(tǒng)性能。

磁共振成像；信噪比；感興趣區(qū)域；圖像噪聲；檢測體模

引言

信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）是磁共振成像（MRI）系統(tǒng)最基本的成像評價參數(shù)，一幅磁共振圖像只有具備良好的信噪比指標，才可能為臨床診斷提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。在MRI質(zhì)量控制（Quality Control，QC）程序中，對信噪比的檢測是一項重要工作，我國各省市實施的地方計量檢定規(guī)程針對信噪比的檢測都提出了具體的執(zhí)行方式以及評價標準[1-2]。在采用地方計量檢定規(guī)程中的方法進行圖像信噪比檢測時，我們發(fā)現(xiàn)體模內(nèi)部感興趣區(qū)域 [Region of Interested，ROI（下文記為ROIphantom）] 的比例對于信噪比檢測結(jié)果的影響十分顯著。為保證MRI質(zhì)量控制程序的科學性，我們期望提出一個合適的ROIphantom，得以準確評價圖像信噪比，使得檢測結(jié)果客觀反映成像設(shè)備的質(zhì)量狀況。為此，本文針對部分地方計量檢定規(guī)程執(zhí)行的信噪比檢測方法，利用自編信噪比自動評價模塊，研究ROIphantom對信噪比檢測結(jié)果的影響，以期為MRI質(zhì)量控制相關(guān)工作的開展提供參考。

1 材料與方法

1.1 設(shè)備與參數(shù)

檢測體模選用Magphan SMR170 MRI性能測試體模，受檢設(shè)備為Siemens Skyra 3.0T磁共振成像系統(tǒng)。掃描采用自旋回波成像脈沖序列（Spin-Echo，SE），TR=500 ms，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5 mm，接收帶寬為156 Hz/pixel[3]。

1.2 信噪比檢測方法

在完成測試體模的定位以及定位像掃描后，對體模各個測試層面的橫斷位進行掃描（圖1）。應(yīng)當注意，在正式掃描前需將測試體模靜置一段時間，等待體模內(nèi)部均勻溶液充分穩(wěn)定，避免溶液運動偽影給信噪比的檢測結(jié)果帶來干擾。

掃描完成后選取體模的第二層橫斷位圖像進行信噪比檢測。在目標圖像的體模成像區(qū)域中央選取一個圓形感興趣區(qū)域（ROIphantom），記錄該區(qū)域內(nèi)信號強度均值S與信號標準偏差值SD；在體模成像區(qū)域外部選取4個小圓形感興趣區(qū)域（ROIair），記錄上述4個區(qū)域內(nèi)信號強度均值S'，即為背景信號強度均值（圖2）。將上述記錄值代入下式計算信噪比：

圖1 體模各測試層面的橫斷位圖像

圖2 信噪比檢測

1.3 信噪比自動檢測模塊

本文研究目的在于探究ROIphantom大小對信噪比檢測結(jié)果的影響，實驗過程將涉及不同比例ROIphantom的選取以及相應(yīng)信噪比的計算（本文提及的ROIphantom比例均指ROIphantom面積與體模中心正方形區(qū)域面積的比值）。如果檢測者采用手動測算的方式進行上述研究，則存在以下問題：① 檢測工作量大。重復(fù)的ROIphantom選取以及相應(yīng)的信噪比測算過程都將是一項極其繁瑣且耗時的工作；② 檢測準確度低。在手動選取ROIphantom過程中，檢測者無論是對于ROIphantom圓心位置的確定，還是對于ROIphantom比例的估算，都會存在一定的人為誤差，導(dǎo)致檢測結(jié)果無法準確描述ROIphantom與相應(yīng)信噪比的關(guān)系。

為解決上述問題，本研究擬基于SMR170體模的信噪比檢測原理，結(jié)合MATLAB平臺中的圖像處理功能，編寫信噪比自動檢測模塊，實現(xiàn)不同比例ROIphantom的自動選取及相應(yīng)信噪比的自動檢測，取代重復(fù)繁瑣的手工檢測工作，提高檢測精度，便于后續(xù)質(zhì)量控制相關(guān)工作的開展。

以下為信噪比自動檢測的主要圖像處理過程（圖3）：

（1）圖像預(yù)處理。在MATLAB平臺中繪制目標圖像的信號強度三維圖（X、Y坐標軸描述像素位置；Z坐標軸表示信號強度）?？梢钥吹襟w模中央?yún)^(qū)域信號強度遠高于周圍背景區(qū)域，故進行圖像預(yù)處理時，選擇自動獲取閾值的方法進行圖像二值化。

（2）選取ROIphantom。選取較大的圓盤結(jié)構(gòu)元素，對上述二值圖像進行膨脹處理，去除方形區(qū)域邊界以及4個柱狀支撐；再以稍小的圓盤結(jié)構(gòu)元素進行腐蝕處理，使得圓形高亮區(qū)域邊界與原圖形吻合。獲取經(jīng)上述形態(tài)學處理后圖像的質(zhì)心，該質(zhì)心視為體模橫斷位圖像的圓心，即為圓形ROIphantom的圓心。確定圓心后，可任意選取ROIphantom比例，由于ROIphantom只能在正方形區(qū)域內(nèi)選取，故ROIphantom比例最大可取為0.785。確定ROIphantom面積后，自動測量該面積內(nèi)信號強度均值S與信號標準偏差值SD。

（3）提取背景區(qū)域。將上述經(jīng)形態(tài)學處理后的二值圖像取反，使其與原圖像相點乘，即可得到周圍背景區(qū)域圖像。找到其中不為零的元素，即為背景區(qū)域像素，利用mean函數(shù)求得其均值S'，代入信噪比計算公式即可求得圖像信噪比[4]。

自動檢測模塊設(shè)計完成后，檢驗其是否可替代手動檢測。調(diào)用Siemens Skyra 3.0T 磁共振成像系統(tǒng)某次質(zhì)量控制圖像，分別利用兩種方法對若干ROIphantom下的信噪比進行檢測，檢測結(jié)果見表1。

表1 兩種方法信噪比檢測結(jié)果對照

采用統(tǒng)計學方法比較程序測量結(jié)果與手動測量結(jié)果的差異，得到P＞0.05，差異無統(tǒng)計學意義，則認為設(shè)計的信噪比自動檢測模塊可以取代手動測量方法進行后續(xù)實驗的研究。

圖3 圖像處理過程主要步驟

2 結(jié)果

使用上述自動檢測模塊對Siemens Skyra 3.0T 磁共振成像系統(tǒng)連續(xù)3個月的質(zhì)量控制圖像進行信噪比檢測，表2～4分別給出部分ROIphantom比例下的S、SD與相應(yīng)的信噪比，圖4描述3組實驗信噪比隨ROIphantom的變化趨勢。

圖4 三組實驗信噪比隨ROIphantom的變化趨勢

三組試驗中，隨著ROIphantom比例增大，區(qū)域內(nèi)的信號強度均值無顯著變化，而信號強度標準差顯著增大，相應(yīng)的信噪比呈現(xiàn)顯著的下降趨勢。其中ROI比例為0～0.15時，信噪比下降趨勢迅速；ROI比例為0.60～0.75時，信噪比呈平緩變化趨勢。

3 討論

3.1 ROIphantom對信噪比的影響

上文討論的信噪比檢測方法，將噪聲定義為體模中央均勻區(qū)域信號強度的標準偏差。相對于信號強度均值，噪聲值通常較小，并作為分母出現(xiàn)在信噪比的計算公式中，這使得噪聲只要出現(xiàn)小范圍的波動，就能給信噪比測量結(jié)果帶來明顯的影響。隨著ROIphantom的增大，雖然區(qū)域內(nèi)信號強度均值相應(yīng)增大，但是由于信號強度的離散程度變大，噪聲值的增強將更為顯著，從而導(dǎo)致圖像信噪比呈現(xiàn)明顯的下降過程。

實驗結(jié)果表明，當ROIphantom比例＜0.1時，即ROIphantom面積大約為640 mm2時，信噪比呈迅速的下降趨勢，檢測者如果在這個比例之內(nèi)選取ROIphantom，人為誤差即使微小，也會引起噪聲值顯著的變化，擴大了人為誤差帶來的不利影響。如果不考慮其他因素，僅從檢測者操作的角度討論信噪比檢測的客觀性，使用該方法檢測信噪比時，應(yīng)避免選取小ROIphantom。本文建議將ROIphantom比例選在0.60～0.75，即ROIphantom面積大約選取為3840～4800 mm2之間。在此范圍內(nèi)，信噪比變化趨于平緩，信噪比不因ROIphantom比例的微小改變而出現(xiàn)突變，檢測者對ROIphantom比例的選取誤差不會明顯改變信噪比檢測結(jié)果，人為誤差將減少到最小，保證檢測結(jié)果最大程度地反映圖像質(zhì)量以及相應(yīng)成像系統(tǒng)的狀態(tài)。

針對信噪比的檢測，NEMA等標準也提出了各自的執(zhí)行方式，各檢測方法采用的檢測原理或檢測步驟都不盡相同。本文所討論的檢測方法由于檢測步驟簡單、快速，同時檢測結(jié)果能較全面反映成像系統(tǒng)的性能等原因，在質(zhì)量控制程序中得到了廣泛地應(yīng)用。但是，該方法信噪比檢測結(jié)果的客觀性很大程度取決于噪聲值對系統(tǒng)噪聲反映的準確性。理論上，噪聲應(yīng)僅反映成像系統(tǒng)噪聲，即成像系統(tǒng)在運行過程中產(chǎn)生的隨機、無規(guī)則的額外信號，噪聲值不會因為ROIphantom的改變而發(fā)生規(guī)律變化。但上述方法的噪聲值不能充分代表隨機噪聲，原因在于ROIphantom同時將非均勻性、偽影等結(jié)構(gòu)噪聲選擇上，提取的噪聲不僅包括了系統(tǒng)噪聲，而且還反映了其他系統(tǒng)性能，如主磁場的均勻性、RF激發(fā)的均勻性等[5]。因此利用該方法檢測信噪比不是對成像系統(tǒng)信噪比的真實反映，而是對多種因素的綜合反映。上述實驗3的信號均值相對于其他兩組實驗并無顯著差異，但噪聲值明顯較大，我們認為此時圖像均勻度差可能是導(dǎo)致較大噪聲值的主要因素。經(jīng)過對3組質(zhì)控圖像進行均勻性檢測，得到實驗3的均勻度為90.1%，低于實驗1的92.8%以及實驗2的92.3%，說明實驗3圖像信號強度的離散程度偏大，導(dǎo)致噪聲值處于較高的水平，從而證實了上述分析。我們認為，在質(zhì)量控制過程中如果將成像設(shè)備偽影、系統(tǒng)穩(wěn)定性、圖像均勻度等諸多成像因素考慮在內(nèi)，上述方法并不是一種普遍適用的信噪比檢測法。當圖像的均勻度處于較低的水平時，上述方法的檢測結(jié)果對成像系統(tǒng)真實信噪比的反映將出現(xiàn)較大偏差，此時我們建議使用NEMA標準提出的兩幅圖像相減法來檢測圖像的信噪比，由于兩幅圖像法對于均勻度的變化不敏感，檢測結(jié)果能更為客觀地描述成像設(shè)備本身的信噪比。但相對于上述方法，兩幅圖像法對成像系統(tǒng)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。綜上所述，在實際質(zhì)量控制程序中，應(yīng)充分考慮成像系統(tǒng)的諸多成像因素，選擇合適的檢測方法，使檢測結(jié)果更全面、更客觀地反映成像系統(tǒng)的性能[6-10]。

表2 三組實驗部分ROIphantom比例下的S值

表3 三組實驗部分ROIphantom比例下的SD值

表4 三組實驗部分ROIphantom比例下的信噪比

3.2 保證良好的圖像信噪比

信噪比作為MRI最基本的圖像質(zhì)量指標，不僅受磁場強度、體素大小、重復(fù)時間、回波時間、反轉(zhuǎn)時間、信號采集次數(shù)等的影響，也受到層厚、層間隔、視野大小、矩陣等因素的影響。故在臨床應(yīng)用時需要對上述參數(shù)進行適當調(diào)整，以保證滿意的圖像信噪比。在質(zhì)量控制中如果發(fā)現(xiàn)圖像信噪比較差或者有較大的起伏，則考慮MRI設(shè)備性能方面因素[11-14]：

（1）設(shè)備校正。不同的磁共振成像系統(tǒng)具有不同的體系結(jié)構(gòu)。如果發(fā)射線圈和接收線圈不是嚴格正交，可能會有射頻場功率從發(fā)射線圈泄漏到接收線圈中，接收到的信號幅度會小而噪聲變化不大，因此信噪比降低。

（2）線圈調(diào)節(jié)。使用不同線圈都需要重新調(diào)諧MRI設(shè)備，使系統(tǒng)處于諧振狀態(tài)。如調(diào)諧不準，信噪比會降低。有的線圈本身靈敏度不好，信噪比也不會高。

（3）射頻屏蔽。MRI設(shè)備受外界影響較大，如汽車、電視等電器均會對MRI的磁場產(chǎn)生影響。所以MRI設(shè)備擺放在屏蔽室內(nèi)，以減少外界的影響。如果屏蔽效果不好，外界電磁波的干擾會破壞磁場的分布，使得圖像產(chǎn)生許多偽影并降低信噪比。對屏蔽室的檢測是在MRI安裝期間進行，在使用過程中保持屏蔽室的物品符合要求和屏蔽門的衛(wèi)生及設(shè)備電纜走線的準確性。

（4）增益及其他。設(shè)備的增益大小直接影響信噪比，如果設(shè)備增益太小，信噪比必然會降低。因此一般應(yīng)保持增益在設(shè)備的建議水平。在必要情況下，可適當增加增益以提高信噪比。有其他原因時，應(yīng)仔細檢查MRI設(shè)備，進行必要的維修保養(yǎng)，使信噪比達到要求[15-16]。

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本文編輯 韓淑英

Research on the Effect of Region of Interest on Signal to Noise Ratio Evaluation in MRI Quality Control

LIN Di-kui1,2, NI Ping2, CHEN Chong1
1.College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou Fujian 350116, China; 2.Department of Medical Engineering, Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Command, Fuzhou Fujian 350025, China

ObjectiveTo research the effect of the change of region of interest (ROI) on the signal to noise ratio (SNR) detection based on the regulation of metrological verif i cation implemented in some areas of China, so as to proposed a suitable proportion of ROI to improve the objectivity and accuracy of the image SNR’s evaluation.MethodsAutomatic evaluation module was developed based on phantom SMR170 and combined with SNR detection principle. SNR with different ROI was evaluated by this module, and SNR trend changing with ROI was discussed.ResultsThe change of ROI had a signif i cant effect on the SNR results. The value of image noise increased with the enlargement of ROI, while SNR of the image reduced accordingly.ConclusionIt is suggested that the selection ratio of ROI is between 0.60 and 0.75, which effectively reduce the artif i cial measurement error and ensure the evaluation result objectively ref l ected the performance of the imaging system.

magnetic resonance imaging; signal to noise ratio; region of interested; image noise; test phantom

R445.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.04.018

1674-1633(2017)04-0066-04

2016-10-10

2017-02-08

倪萍，高級工程師，南京軍區(qū)福州總醫(yī)院醫(yī)學工程科主任。

通訊作者郵箱：511091680@qq.com