徐 桓 趙慶軍* 張秋實(shí)

一種磁共振成像裝置質(zhì)量控制測(cè)試體模的研制

徐 桓①趙慶軍①*張秋實(shí)①

目的：設(shè)計(jì)一種功能全面、結(jié)構(gòu)簡單及測(cè)量精度高的磁共振成像(MRI)質(zhì)量控制測(cè)試體模。方法：通過對(duì)MRI原理以及影響MRI圖像質(zhì)量的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行深入研究，提出體模應(yīng)具備的性能指標(biāo)，確定材料、加工工藝、加工精度等技術(shù)方案，采用數(shù)字控制機(jī)械加工的方式試制出MRI測(cè)試體模1套；將其與同類進(jìn)口體模進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)，分析其測(cè)試結(jié)果是否具有一致性。結(jié)果：自制體模的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的測(cè)試結(jié)果與同類進(jìn)口體模的測(cè)試結(jié)果一致性較好，測(cè)試組件更全面，低對(duì)比度分辨力等技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于進(jìn)口體模。結(jié)論：設(shè)計(jì)研制的測(cè)試體模能夠滿足醫(yī)院MRI日常質(zhì)量控制工作的需要。

磁共振成像；質(zhì)量控制；體模

[First-author’s address] The Institute for Drug and Instrument Control of Health Department GLD of PLA,Beijing 100071,China.

隨著影像學(xué)技術(shù)的發(fā)展，影像診斷技術(shù)在整個(gè)醫(yī)療過程中所起的作用至關(guān)重要。而醫(yī)用磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)裝置作為當(dāng)今先進(jìn)醫(yī)學(xué)影像診斷設(shè)備之一，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多數(shù)人體病變的明確診斷，但其影像質(zhì)量直接影響臨床診斷效果。為了保證臨床診斷效果以及設(shè)備的正常運(yùn)行，獲得優(yōu)質(zhì)影像，質(zhì)量控制工作已經(jīng)成為MRI設(shè)備使用中的重要環(huán)節(jié)。目前，國際電工委員會(huì)(IEC)、美國電氣制造商協(xié)會(huì)(NEMA)、美國醫(yī)學(xué)物理家學(xué)會(huì)(AAPM)等均針對(duì)MRI質(zhì)量控制出臺(tái)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)AAPM與美國放射學(xué)院(ACR)研制了相應(yīng)的MRI測(cè)試體模，用于MRI的日常質(zhì)量控制。MRI體模為國外進(jìn)口，價(jià)格昂貴。為了滿足MRI日常質(zhì)量控制工作的需要，本研究在對(duì)MRI質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，通過對(duì)MRI設(shè)備質(zhì)量控制工作進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了一套既符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，又能滿足MRI日常質(zhì)量控制需求的體模。通過與進(jìn)口體模進(jìn)行比對(duì)實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的數(shù)據(jù)一致性。

1 MRI測(cè)試體模設(shè)計(jì)思路

通過對(duì)MRI成像原理、不同射頻線圈的技術(shù)特性、以及影響MRI圖像質(zhì)量的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行深入研究，提出滿足MRI質(zhì)量控制要求的性能測(cè)試體模應(yīng)具備的性能指標(biāo)，并確定其制作材料可行性、工藝設(shè)計(jì)等技術(shù)方案，在進(jìn)口的MRI體?；A(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，研制出包含定位組件、空間分辨力、低對(duì)比度分辨力、均勻性、噪聲及層厚等多個(gè)測(cè)試組件的MRI測(cè)試體模。

2 MRI測(cè)試體模設(shè)計(jì)原理

2.1 體模的基本結(jié)構(gòu)

MRI質(zhì)量控制測(cè)試體模外形設(shè)計(jì)為圓柱體結(jié)構(gòu)，可方便放置于MRI的各種射頻線圈中。體模由圓柱形外筒與空間分辨力測(cè)試組件、低對(duì)比度分辨力測(cè)試組件、均勻性與噪聲測(cè)試組件、層厚測(cè)試組件(2種)、幾何畸變測(cè)試組件(2種)及MTF測(cè)試組件等8個(gè)獨(dú)立可替換的測(cè)試組件組成。圓柱形外筒直徑為20 cm，長為25 cm。各獨(dú)立測(cè)試組件均設(shè)計(jì)為圓盤形，圓盤上分別設(shè)計(jì)4個(gè)圓孔，通過4根通心柱固定在圓柱體外筒的上下兩個(gè)底板上。圓柱體外筒可一次性固定最多5個(gè)測(cè)試組件，其他組件可根據(jù)測(cè)試的不同需要進(jìn)行替換。體模材質(zhì)主要為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。內(nèi)部液體為氯化鎳、氯化鈉混合溶液或硫酸銅溶液，其產(chǎn)生的磁共振信號(hào)的特性應(yīng)與患者身體相類似(T1時(shí)間＜1200 ms，T2時(shí)間＞50 ms)。

2.2 體模的工作原理

關(guān)于MRI質(zhì)量控制現(xiàn)行有效的標(biāo)準(zhǔn)與方法有很多，體模的設(shè)計(jì)主要參照國家標(biāo)準(zhǔn)YY/T 0482-2010醫(yī)用成像磁共振設(shè)備主要圖像質(zhì)量參數(shù)的測(cè)定[1](簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”)、AAPM 100號(hào)報(bào)告[2-3]以及美國電氣制造商協(xié)會(huì)NEMA的MS系列測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)[4-6]。其中，“標(biāo)準(zhǔn)”等同引用了IEC 62464-1：2007，為國內(nèi)最新頒布的并現(xiàn)行有效的MRI質(zhì)控檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；是否滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求，成為了檢驗(yàn)體模設(shè)計(jì)是否成功的關(guān)鍵。體模設(shè)計(jì)覆蓋了“標(biāo)準(zhǔn)”中規(guī)定的6項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，包括信噪比、均勻性、二維掃描的層厚、二維幾何畸變、空間分辨力和鬼影。

(1)信噪比與均勻性測(cè)試組件。信噪比測(cè)試要求體模能夠提供產(chǎn)生一定體積的均勻信號(hào)[7-8]，而對(duì)體模的外形沒有明確要求，可以為圓柱體、球體或橢圓體。對(duì)于體部測(cè)試，要求最小的截面積是直徑200 mm的圓，對(duì)于頭部測(cè)試，要求最小的截面積是直徑150 mm的圓。因此，體模設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了頭、體部測(cè)試的不同需要，同時(shí)，也考慮到當(dāng)前主流MRI機(jī)型的頭部射頻線圈的尺寸，將體模設(shè)計(jì)為直徑200 mm的圓柱體，可同時(shí)滿足頭、體測(cè)試的同時(shí)，又能保證體模能夠放置于頭部射頻線圈當(dāng)中。體模內(nèi)部則填充能夠產(chǎn)生磁共振信號(hào)的均勻液體材料[9-11]。均勻性測(cè)試可同樣采用此測(cè)試組件完成。

(2)層厚測(cè)試組件?！皹?biāo)準(zhǔn)”中規(guī)定了兩種不同的層厚測(cè)試方法，分別為斜板法與斜楔法。基于此，體模也分別了設(shè)計(jì)了斜板與斜楔兩種不同的測(cè)試組件。斜板設(shè)計(jì)為兩個(gè)厚度為1.6 mm的交叉斜板，二交叉斜板的斜面與MRI成像的軸設(shè)計(jì)為一個(gè)固定角度α，MRI成像時(shí)，斜板將產(chǎn)生一個(gè)等腰梯形信號(hào)強(qiáng)度剖面。斜楔則設(shè)計(jì)為兩個(gè)反向的楔形。兩個(gè)楔形的斜面與MRI掃描平面形成一個(gè)固定角度α，斜楔同樣能夠產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度剖面?？筛鶕?jù)斜板或斜楔產(chǎn)生的信號(hào)強(qiáng)度剖面線進(jìn)行分析處理后完成層厚的測(cè)量[12-13]。

(3)二維幾何畸變測(cè)試組件。二維幾何畸變同樣設(shè)計(jì)為2種不同的測(cè)試組件。按照“標(biāo)準(zhǔn)”的要求，設(shè)計(jì)為一個(gè)直徑為20 mm的PMMA圓盤，在圓盤的中心垂直固定一根直徑為1.6 mm的中心釘，其材質(zhì)同樣為PMMA，中心釘與圓盤邊界作為測(cè)試點(diǎn)，通過測(cè)量二者之間的距離完成幾何畸變的測(cè)試；另一種為格柵式模型，由8×8個(gè)正方形柵格構(gòu)成，柵格的邊長為0.9 cm。格柵式模型的優(yōu)點(diǎn)在于可以直觀的看出圖像的幾何畸變。

(4)空間分辨力測(cè)試組件?？臻g分辨力組件設(shè)計(jì)為不同寬度的10組線對(duì)，分別為1～10 Lp/cm。線對(duì)分布于由PMMA制成的圓盤上，由不同寬度的長方形槽間隔形成，占空比為1∶1。將該組件通過MRI成像，可分辨的最小線對(duì)數(shù)即為MRI的空間分辨力。

(5)低對(duì)比度分辨力測(cè)試組件。低對(duì)比度分辨力考察MRI分辨低對(duì)比度目標(biāo)物體的能力[14-15]，相比CT等其他影像類設(shè)備，MRI設(shè)備的低對(duì)比度分辨能力優(yōu)勢(shì)明顯，因此“標(biāo)準(zhǔn)”并為對(duì)該技術(shù)指標(biāo)提出具體要求，參考AAPM的100號(hào)報(bào)告內(nèi)容，為體模設(shè)計(jì)了低對(duì)比度分辨力測(cè)試組件。該組件由分布于PMMA圓盤上的5組不同深度的圓孔組成，孔深分別為2 mm、1 mm、0.75 mm、0.5 mm和0.25 mm；每組則由4個(gè)不同直徑的圓孔組成，孔的直徑分別為2 mm、4 mm、6 mm和8 mm。該組件通過不同的孔深設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了不同的對(duì)比度，通過不同孔徑實(shí)現(xiàn)了相同對(duì)比度下對(duì)不同尺寸目標(biāo)物體的分辨能力測(cè)試。

(6)MTF測(cè)試組件。MTF測(cè)試組件的設(shè)計(jì)簡單實(shí)用，為1 cm厚度的半圓形PMMA模型，其半圓的直邊可用于刃邊法進(jìn)行MTF測(cè)試。配合ImageJ設(shè)計(jì)的Java程序組件，可實(shí)現(xiàn)MTF的快速測(cè)試。

3 MRI測(cè)試體模設(shè)計(jì)特點(diǎn)

該體模設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)精巧、密封良好、組件獨(dú)立、拆裝靈活，具備5個(gè)測(cè)試層，8個(gè)可替換的測(cè)試組件，適用于0.3～3 T標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)用磁共振系統(tǒng)頭體線圈的圖像質(zhì)量測(cè)試，能夠滿足MRI日常質(zhì)量控制需要。MRI測(cè)試體模設(shè)計(jì)過程中充分考慮了機(jī)械加工的公差，對(duì)各設(shè)計(jì)組件的幾何尺寸的最大允許誤差進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，保證了體模的測(cè)試精度，與進(jìn)口體模相比，測(cè)試組件更加全面，低對(duì)比度分辨力等組件的設(shè)計(jì)指標(biāo)更是優(yōu)于同類進(jìn)口體模(如圖1所示)。

圖1 MRI體模測(cè)試圖像

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及比較分析

對(duì)于MRI體模，國內(nèi)目前尚無計(jì)量機(jī)構(gòu)能夠?qū)ζ溥M(jìn)行檢定或校準(zhǔn)，為保證其測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了一組比對(duì)實(shí)驗(yàn)。將自制體模與體模實(shí)驗(yàn)室的Magphan SMR170測(cè)試體模進(jìn)行比對(duì)。選取相同的TR、TE，不同層厚、不同成像矩陣，對(duì)兩組體模的空間分辨力、層厚等參數(shù)進(jìn)行比較，其結(jié)果一致性非常好。這里僅列出了空間分辨力、層厚2個(gè)易受加工精度、幾何尺寸影響的技術(shù)參數(shù)的比較結(jié)果見表1。

表1 兩組體模參數(shù)測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)比較

5 結(jié)論

本研究從醫(yī)院進(jìn)行MRI質(zhì)量控制的實(shí)際需求出發(fā)，對(duì)現(xiàn)有體模的功能結(jié)構(gòu)、技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了一種功能全面、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、測(cè)量精度高的MRI質(zhì)量控制測(cè)試體模，同時(shí)，由于該體模為自行設(shè)計(jì)研制，大大降低了加工成本，既能滿足MRI質(zhì)控需要，又能盡量較少醫(yī)院的負(fù)擔(dān)。分析結(jié)果表明，該體模的幾個(gè)不同測(cè)試組件均滿足MRI測(cè)試的要求，但考慮到實(shí)際測(cè)試中可能存在擺位誤差等人為因素的影響，目前進(jìn)行測(cè)試的樣本量還不夠大，無法準(zhǔn)確給出不同測(cè)試組件的測(cè)試結(jié)果的測(cè)量誤差或不確定度。

MRI測(cè)試體模的設(shè)計(jì)雖然已盡量包含了MRI質(zhì)量控制中的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，但是由于MRI設(shè)備本身的復(fù)雜性，如要完成MRI設(shè)備的圖像質(zhì)量的全面測(cè)試，單一體模確實(shí)無法勝任。因此，體模也存在以下限制與不足：①該體模不能覆蓋所有的MRI射頻線圈的測(cè)試需要，如無法實(shí)現(xiàn)表面線圈的均勻性的測(cè)試；②MRI成像靈活，可在冠狀位、矢狀位和軸狀位3個(gè)方向同時(shí)成像，在體模的設(shè)計(jì)時(shí)，盡量考慮到3個(gè)方向的測(cè)試需求，但由于體模設(shè)計(jì)為圓柱形結(jié)構(gòu)，無法完成二維幾何畸變、空間分辨力等參數(shù)的3個(gè)方向的測(cè)試，只能實(shí)現(xiàn)軸狀位的測(cè)試。如需進(jìn)行另外2個(gè)方向的測(cè)試，仍需單獨(dú)設(shè)計(jì)球型體模而完成。盡管存在上述問題，在MRI日常質(zhì)量控制中無需要對(duì)上述情況進(jìn)行測(cè)試，因此該測(cè)試體模能夠完全勝任醫(yī)院MRI日常質(zhì)量控制工作。

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Development of a test phantom used for MRI’s quality control

/XU Huan, ZHAO Qing-jun, ZHANG Qiu-shi// China Medical Equipment,2014,11(10):83-85.

Objective: Design a test phantom with a full function, simple structure and high accuracy which is used for MRI’s Quality Control. Methods: Through a intensive study in imaging principle of MRI and parameters which effect the image quality ,first come up with the phantom’s performance data, and then determine the technical solutions including the choosing material, processing technology, the machining precision, at last develop a trial set of MRI test phantom using the method of numerical control machining. Make a comparative experiment between this phantom and the similar imported one to analyze the consistency of the results by the two phantoms. Results: The result of all the technical parameters of this phantom is consistent with the result of the imported one. There are some extra test components which the imported phantom doesn’t contain. Some performance data like the low contrast resolution are superior to the imported phantom. Conclusion: This MRI test phantom can satisfy the requirement of the daily quality control work in hospital.

Magnetic resonance imaging; Quality control; Phantom

1672-8270(2014)10-0083-03

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.10.028

2014-06-16

①總后藥品儀器檢驗(yàn)所放射儀器室 北京 100071

*通訊作者：yjszqj@sina.com

徐桓，男，(1981- )，本科學(xué)歷，工程師?？偤笏幤穬x器檢驗(yàn)所放射儀器室，從事大型醫(yī)療設(shè)備檢測(cè)工作。