1.中國(guó)人民解放軍第五醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，寧夏回族自治區(qū) 銀川 750004；

2.南京軍區(qū)福州總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，福建 福州 350000

腦功能磁共振設(shè)備性能參考基線建立方法初探

史剛1，楊明1，倪萍2

1.中國(guó)人民解放軍第五醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，寧夏回族自治區(qū) 銀川 750004；

2.南京軍區(qū)福州總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，福建 福州 350000

目的設(shè)計(jì)一種針對(duì)腦功能磁共振成像設(shè)備的質(zhì)量檢測(cè)方法，建立個(gè)性化的性能參考基線，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備性能。方法參考美國(guó)放射學(xué)學(xué)會(huì)制定的ACR檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，使用標(biāo)準(zhǔn)ACR水模及功能成像的常用序列設(shè)計(jì)質(zhì)量檢測(cè)方法，對(duì)儀器進(jìn)行周期性檢測(cè)并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制性能基線。結(jié)果建立的性能基線能準(zhǔn)確反應(yīng)成像系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，并具有一定的預(yù)測(cè)功能。結(jié)論該檢測(cè)方法操作簡(jiǎn)單，耗時(shí)少，性能參考基線能科學(xué)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)。

腦功能磁共振；質(zhì)量控制；性能參考基線；信號(hào)穩(wěn)定性；圖像扭曲變形；Ghost偽影

自1978年英國(guó)諾丁漢大學(xué)和阿伯丁大學(xué)物理學(xué)家首次獲得人體MR圖像以來(lái)[1]，磁共振技術(shù)以其獨(dú)有的軟組織成像特點(diǎn)在影像領(lǐng)域的地位不斷攀升。1990年Belliveau首次報(bào)道了血氧水平依賴(lài)檢測(cè)技術(shù)，為影像學(xué)從單一形態(tài)學(xué)研究到形態(tài)與功能相結(jié)合的系統(tǒng)研究的轉(zhuǎn)變開(kāi)辟了一條嶄新的道路，沒(méi)有醫(yī)學(xué)影像技術(shù)和醫(yī)學(xué)影像設(shè)備的進(jìn)步和發(fā)展，就不可能有今天的現(xiàn)代醫(yī)療技術(shù)和先進(jìn)診斷水平[2]。

血氧水平依賴(lài)功能磁共振成像（Blood Oxygenation Level Dependent-functional Magnetic Resonance Imaging, BOLD-fMRI）是在常規(guī)磁共振成像基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，主要用于對(duì)大腦各級(jí)功能的研究，研究?jī)?nèi)容包括視聽(tīng)覺(jué)、運(yùn)動(dòng)功能、藥物成癮、腦外科術(shù)前定位以及腦創(chuàng)傷術(shù)后功能恢復(fù)評(píng)估等，相關(guān)的研究和成果在國(guó)內(nèi)外已有諸多報(bào)道，但與之相應(yīng)的質(zhì)量控制檢測(cè)的討論研究卻很少。據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，目前我國(guó)磁共振儀器的運(yùn)行狀況并未完全達(dá)標(biāo)[3]，還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)范的質(zhì)量控制檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。本文參考美國(guó)放射學(xué)學(xué)會(huì)(American College of Radiology, ACR)制定的MR質(zhì)量控制手冊(cè)中相關(guān)參數(shù)的檢測(cè)方法，結(jié)合功能磁共振的成像特點(diǎn)設(shè)計(jì)了新的檢測(cè)評(píng)價(jià)方法，并通過(guò)對(duì)總院的Siemens Trio Tim 3T磁共振成像設(shè)備進(jìn)行定期的質(zhì)量控制檢測(cè)及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，建立起各參數(shù)的性能參考基線，用以評(píng)價(jià)日常MRI設(shè)備的性能狀況，并分析了各項(xiàng)參數(shù)的影響因素。目的是降低檢查者的風(fēng)險(xiǎn)，提高圖像可靠性，提早預(yù)判設(shè)備可能出現(xiàn)的問(wèn)題，降低設(shè)備的維護(hù)成本。

1 功能磁共振成像原理

功能磁共振成像的技術(shù)基礎(chǔ)是血氧水平的變化，通過(guò)間接檢測(cè)組織中氧合血紅蛋白（Oxyhemoglobin，OHb）與脫氧血紅蛋白（Deoxygenated Hemoglobin, DHb）濃度變化來(lái)成像，DHb是一種順磁性物質(zhì)，它的存在會(huì)影響血管附近磁場(chǎng)的均勻性，縮短T2*時(shí)間，在T2*加權(quán)成像時(shí)，使局部的信號(hào)強(qiáng)度減弱。人腦在靜息狀態(tài)下，血液中OHb與DHb的濃度比呈穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)功能區(qū)域被激活后，激活區(qū)氧消耗增加，又由于血流的增加與輕度增加的需氧量是不成比例的，這種局部血流過(guò)度增加的效應(yīng)（代謝需要和局部腦血流的耦合效應(yīng)）使得被激活區(qū)域內(nèi)靜脈血液中的DHb濃度不升反降，DHb水平的相對(duì)減少導(dǎo)致局部磁場(chǎng)不均勻性降低，從而使激活區(qū)的T2*信號(hào)強(qiáng)度得以增加。功能磁共振成像正是通過(guò)檢測(cè)這些增強(qiáng)點(diǎn)捕獲到激活區(qū)域進(jìn)而生成圖像的。

2 材料和方法

2.1 ACR水模

ACR磁共振成像水模是一個(gè)短的，兩端密閉的丙烯酸塑料空心圓筒，其結(jié)構(gòu)及定位掃描結(jié)果，見(jiàn)圖1。如圖1左側(cè)所示：內(nèi)部長(zhǎng)度為148 mm，內(nèi)徑為190 mm，里面充滿著氯化鎳和氯化鈉溶液，外部是蝕刻在表面的為了確定水模掃描位置的單詞，NOSE和CHIN。水模的內(nèi)部是一些為了測(cè)試掃描器相關(guān)參數(shù)而設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)，圖1右側(cè)是定位掃描結(jié)果。

圖1 ACR水模結(jié)構(gòu)及定位掃描結(jié)果

2.2 參數(shù)選擇

掃描序列：11層，EPI序列，TR=3000 ms，TE=30 ms，F(xiàn)OV=25 cm，層厚=5 mm，層間隔=5 mm，Scan Matrix= 256×256，NEX=1，回波鏈長(zhǎng)度：22。

2.3 檢測(cè)參數(shù)及方法

信噪比SNR的測(cè)量方法與常規(guī)檢測(cè)方法一致，在此不作贅述。

2.3.1 信號(hào)穩(wěn)定性

功能磁共振信號(hào)穩(wěn)定性是指對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行連續(xù)掃描的過(guò)程中圖像信號(hào)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化情況。由于磁共振設(shè)備性能的不穩(wěn)定性最終會(huì)表現(xiàn)為圖像灰度的變化波動(dòng)，因此可以選用同一序列來(lái)檢測(cè)同一水模的同一個(gè)感興趣區(qū)（Region of Interest, ROI），計(jì)算該區(qū)域的灰度平均值的波動(dòng)情況，即可反應(yīng)功能磁共振信號(hào)的穩(wěn)定性。

功能磁共振信號(hào)穩(wěn)定性單次檢測(cè)結(jié)果，見(jiàn)圖2。圖中曲線的縱坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的就是成像中同一區(qū)域（ROI≥圖像的70%）的信號(hào)強(qiáng)度的平均值，橫坐標(biāo)是不同的掃描序號(hào)，考慮到系統(tǒng)預(yù)熱，去掉前后各10個(gè)結(jié)果，在中間段找到曲線的最大值和最小值，代入公式：穩(wěn)定性= 200%×（Smax - Smin）/（Smax + Smin）。

曲線的生成是利用磁共振設(shè)備自帶的軟件實(shí)現(xiàn)的，在GE Excite HD 1.5T設(shè)備上調(diào)用functional tool軟件；在Siemens Trio Tim 3T設(shè)備上調(diào)用Mean Curve軟件。

由于功能成像的有用信號(hào)幅度非常之小，很容易淹沒(méi)在不穩(wěn)定的波動(dòng)中，所以必須對(duì)波動(dòng)情況加以嚴(yán)格的限制。AAPM(美國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)家協(xié)會(huì))提出BOLD-fMRI掃描激活信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差的漲落幅度應(yīng)≤0.3%。

圖2 功能磁共振信號(hào)穩(wěn)定性單次檢測(cè)結(jié)果

2.3.2 圖像扭曲變形

扭曲形變是選擇EPI序列掃描時(shí)，由于系統(tǒng)硬件的性能波動(dòng)以及序列對(duì)磁場(chǎng)不均勻性的高敏感度，使成像結(jié)果常常會(huì)發(fā)生較為明顯的不限于頻率和相位編碼方向的形變，幾何畸變主要反映梯度場(chǎng)性能[4-5]。

分別測(cè)量圖像在相位編碼方向和頻率編碼方向的直徑，計(jì)算測(cè)量值與理論值的偏差。實(shí)際形變圖像，見(jiàn)圖3。

計(jì)算公式為：扭曲變形率=（1-|Lm-Lt|）100% ，公式中Lm表示測(cè)量值，Lt表示理論值。

要求：偏差＜1%。

圖3 實(shí)際形變圖像

2.3.3 Ghost偽影

EPI序列使用方向相反的頻率讀出梯度交替采集MR信號(hào)的奇、偶回波，由于靜磁場(chǎng)的不均勻性、梯度磁場(chǎng)高速切換產(chǎn)生的渦流以及采集時(shí)序的不準(zhǔn)確性等，使k空間的奇、偶回波之間呈現(xiàn)一定的相位差，于是在相位編碼方向產(chǎn)生了ghost偽影。Ghost偽影測(cè)試示意及實(shí)際測(cè)量圖，見(jiàn)圖4。

測(cè)量方法：選擇均勻的一層，如圖4所示，左邊一幅為示意圖，右邊為實(shí)際測(cè)量中的圖像。

計(jì)算公式為：ghosting ratio = |((top+btm)-(left+right)/ (2*(large ROI))|。

公式中top, btm, left, right分別代表圖4中右圖中示意區(qū)域的信號(hào)均值。

要求：偽影＜3%。

圖4 Ghost偽影測(cè)試示意及實(shí)際測(cè)量圖

3 檢測(cè)結(jié)果

3.1 信號(hào)穩(wěn)定性

3.1.1 檢測(cè)結(jié)果

信號(hào)穩(wěn)定性檢測(cè)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1；信號(hào)穩(wěn)定性參考基線，見(jiàn)圖5。

表1 Siemens Trio Tim 3．0T穩(wěn)定性檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖5 信號(hào)穩(wěn)定性參考基線

3.1.2 影響因素分析

主磁場(chǎng)的均勻分布是檢測(cè)的基礎(chǔ)，主磁場(chǎng)不均勻，梯度系統(tǒng)就不能很好地進(jìn)行定位和編碼，嚴(yán)重影響檢測(cè)結(jié)果；由于人體組織的T2*衰減非常迅速，為了保證能夠及時(shí)完成K空間的采集，需要保證讀出梯度足夠短，EPI要求讀出梯度的爬升時(shí)間比標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間短幾倍，而且必須達(dá)到高的水平，因?yàn)閳D像在讀出方向的空間分辨率取決于讀出梯度場(chǎng)波形的積分，所以要求讀出梯度持續(xù)時(shí)間非常短，梯度幅度非常高，以及梯度場(chǎng)的切換率＞200 T/m/s，這對(duì)于系統(tǒng)的硬件性能要求極高，如果不能滿足，則會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)失??；射頻激發(fā)系統(tǒng)與接收系統(tǒng)之間的屏蔽不好，也會(huì)導(dǎo)致接收的信號(hào)發(fā)生較大的波動(dòng)，影響檢測(cè)結(jié)果的穩(wěn)定性。因此，當(dāng)該項(xiàng)參數(shù)檢測(cè)結(jié)果與參考基線有較大偏差時(shí)，提示工程師檢查電源系統(tǒng)是否穩(wěn)定，射頻系統(tǒng)與接收系統(tǒng)之間的屏蔽是否完好，是否有異物存在磁場(chǎng)中。

3.2 圖像扭曲變形

3.2.1 檢測(cè)結(jié)果

圖像扭曲變形檢測(cè)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2；圖像扭曲變形參考基線，見(jiàn)圖6。

表2 Siemens Trio Tim 3．0T扭曲形變檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖6 圖像扭曲變形參考基線

3.2.2 影響因素分析

水模的正確擺位是進(jìn)行檢測(cè)的基礎(chǔ)，擺放不正會(huì)直接導(dǎo)致幾何尺寸發(fā)生差異，檢測(cè)結(jié)果不合格；磁性異物的存在也會(huì)影響主磁場(chǎng)的分布，反映在圖像上為微小的形變或偽影，影響結(jié)果；梯度放大器如果發(fā)生故障，梯度磁場(chǎng)的線性和均勻性均受影響，導(dǎo)致層面選擇不準(zhǔn)確，幾何尺寸也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的偏差；如果接收帶寬過(guò)窄，系統(tǒng)對(duì)磁場(chǎng)不均勻性敏感性增強(qiáng)，微小的差異就會(huì)導(dǎo)致成像結(jié)果發(fā)生形變。因此，當(dāng)該項(xiàng)參數(shù)的參考基線發(fā)生較大偏移時(shí)，工程師應(yīng)檢查梯度放大器工作狀態(tài)并排除磁性異物的影響。

3.3 Ghost偽影

3.3.1 檢測(cè)結(jié)果

Ghost偽影檢測(cè)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3；Ghost偽影參考基線，見(jiàn)圖7。

表3 Siemens Trio Tim 3．0T偽影檢測(cè)數(shù)據(jù)

圖7 Ghost偽影參考基線

3.3.2 影響因素分析

在EPI序列成像結(jié)果中Ghost 偽影是無(wú)法避免的，這與此序列成像原理有關(guān)，在EPI序列中，回波鏈中使用了正負(fù)兩種頻率編碼梯度采集數(shù)據(jù)[6]，頻率編碼梯度高速切換，但受到梯度線圈性能限制，無(wú)法避免渦流和剩磁的影響，使得理論梯度磁場(chǎng)與實(shí)際作用的梯度磁場(chǎng)存在差異，最終導(dǎo)致K空間內(nèi)的奇偶行數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，還原圖像中便出現(xiàn)的偽影。原始K空間奇偶回波單獨(dú)重建圖像數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)二維多項(xiàng)式擬合參考掃描各點(diǎn)相位漂移估計(jì)值對(duì)圖像進(jìn)行相位校正，可減輕偽影的影響。但在噪聲較嚴(yán)重的情況下，校正后的圖像仍含有較嚴(yán)重的殘余偽影[7]。與此同時(shí)，電源電壓的波動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致梯度磁場(chǎng)的不規(guī)則變化，因此，如果在實(shí)際檢測(cè)工作中發(fā)現(xiàn)Ghost偽影的參考基線單向遞增或在波動(dòng)中有明顯的上升趨勢(shì)，此時(shí)，工程師就應(yīng)該主動(dòng)檢查梯度系統(tǒng)和供電系統(tǒng)，防患未然。

4 結(jié)語(yǔ)

醫(yī)療設(shè)備的應(yīng)用質(zhì)量直接影響設(shè)備的使用效率和診斷治療效果，是醫(yī)療質(zhì)量與水平的重要體現(xiàn)[8]。功能磁共振的臨床應(yīng)用和科學(xué)研究已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)同，為了保障其成像結(jié)果的可靠性，我們就需要普及磁共振設(shè)備[9]的質(zhì)量控制工作。國(guó)內(nèi)相關(guān)的工作開(kāi)展的遠(yuǎn)不及國(guó)外，我國(guó)急需建立起一個(gè)完整的且易于操作的功能磁共振質(zhì)量控制檢測(cè)規(guī)范，強(qiáng)制進(jìn)行周期性檢測(cè)，為每臺(tái)設(shè)備建立起個(gè)性化的性能參考基線。當(dāng)檢測(cè)結(jié)果與參考基線發(fā)生較大偏差時(shí)，提示工程師做相應(yīng)的檢查排查工作，便于提早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并及時(shí)對(duì)機(jī)器進(jìn)行調(diào)整，保證MR設(shè)備工作的安全性和結(jié)果的可靠性。

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study on Establishment Method of Performance Baseline of Brain Functional Magnetic Resonance Equipment

SHI Gang1, YANG Ming1, NI Ping2
1.Medical Engineering Department, The 5thHospital of PLA, Yinchuan The Ningxia Hui Autonomous Region 750004, China; 2.Medical Engineering Department, Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Command, Fuzhou Fujian 350000, China

ObjectiveTo design a quality detect method for brain functional magnetic resonance equipment and establish the personalized reference performance baseline to monitor the real-time performance of the equipment.MethodsAccording to the ACR detect standard drawn up by American College of Radiology, designing the quality detect method by using the standard ACR MRI phantom and frequently-used functional imaging series to test the equipment periodically, and than collecting and processing the data to draw the performance baseline for each piece of the equipment.ResultsThe performance baseline can monitor the real-time performance of the imaging system accurately and sometimes can predict some problems of the equipment.ConclusionThe detect method is simple and can be finished in a short time, and the performance reference baseline can monitor the real-time performance of the equipment scientifically and accurately.

brain functional magnetic resonance; quality control; performance reference baseline; signal stability; image distortion; ghost artifact

R445.2

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.08.009

1674-1633(2013)08-0026-04

2012-12-20

2013-07-12

作者郵箱：785277936@qq．com