官能成，倪 萍，陳自謙

·質(zhì)控與安全·

基于ACR體模的磁共振質(zhì)量控制自動評價系統(tǒng)

官能成，倪 萍，陳自謙

目的：設(shè)計基于ACR（American College of Radiology，美國放射學(xué)會）體模的磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）質(zhì)量控制自動評價軟件。方法：分析圖像預(yù)處理、圖像信噪比、圖像均勻性、空間分辨力、低對比度分辨力、空間線性、層厚等幾個主要的MRI質(zhì)量控制參數(shù)，找到軟件實現(xiàn)方法。結(jié)果：基于MATLAB圖像處理功能可以實現(xiàn)其主要參數(shù)的自動評價。結(jié)論：該軟件的開發(fā)是磁共振質(zhì)量控制自動評價系統(tǒng)的開端，也是質(zhì)量控制自動化的重要組成部分。

MRI；ACR體模；MATLAB；質(zhì)量控制；自動評價

0 引言

與傳統(tǒng)影像檢查相比，磁共振成像具有軟組織顯像清晰、可進(jìn)行功能顯像、可在任意方向上切層、沒有輻射等特點，在影像診斷中發(fā)揮著越來越重要的作用。磁共振設(shè)備雖然已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但是基層醫(yī)院磁共振設(shè)備質(zhì)量控制意識卻較薄弱，存在安全隱患[1]。傳統(tǒng)的基于ACR（American College Radiology，美國放射學(xué)會）體模的磁共振質(zhì)量控制方法存在2個最主要的問題：（1）檢測煩瑣、費時，掃描與圖像參數(shù)分析一般需要30～40 min，既增加了檢測人員的工作量，又會耽誤患者的正常檢查。（2）常規(guī)磁共振質(zhì)量控制中有很多參數(shù)都依賴于檢測者的主觀判斷，這樣結(jié)果的科學(xué)性就會受到很大限制。對質(zhì)量控制有過實際操作的研究者會發(fā)現(xiàn)，用ACR體模進(jìn)行質(zhì)量控制時真正耗時的不是掃描本身而是數(shù)據(jù)的處理。若能將體模掃描與數(shù)據(jù)處理分開，則能大大地縮短質(zhì)量控制對磁共振設(shè)備的占用時間，最大程度地提高效率?；谶@一想法并結(jié)合總后CT遠(yuǎn)程質(zhì)量控制方法，本文將給出磁共振質(zhì)量控制自動分析評價系統(tǒng)的具體思路以及部分實現(xiàn)步驟[2]。

1 磁共振質(zhì)量控制現(xiàn)狀

磁共振成像系統(tǒng)還沒有國際通用的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，雖然國內(nèi)外對磁共振成像質(zhì)量控制的方法都有所闡述[3-4]，但都沒能在實際操作中普及。常用的體模有：（1）符合ACR技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）性能檢測體模，簡稱ACR體模；（2）符合美國醫(yī)學(xué)物理學(xué)家協(xié)會（American Accademy Pain Medicine，AAPM）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的MRI性能檢測體模，簡稱AAPM體模。目前，美國磁共振設(shè)備常用ACR體模檢測方法進(jìn)行檢測，該方法也是國內(nèi)常用的檢測方法之一。

2 具體設(shè)計思路及部分實現(xiàn)過程

該軟件設(shè)計是基于MATLAB 2012b平臺進(jìn)行設(shè)計編寫，可直接對DICOM格式的圖像進(jìn)行讀取與處理[5-6]，并且能夠詳細(xì)地獲取中心頻率、視野（field of view，F(xiàn)OV）、人體特殊吸收率（specific absorption rate，SAR）等重要掃描參數(shù)并自動生成Excel報告。軟件實現(xiàn)過程如圖1所示。

2.1 掃描前的定位與參數(shù)選擇

體模定位請參照ACR質(zhì)量控制指導(dǎo)手冊[7]，選用頭線圈采集。ACR推薦的采集序列是T1WI軸位，11層，SE序列，TR=500 ms，TE=20 ms，F(xiàn)OV=25 cm，層厚為5 mm。層間隔為5 mm，矩陣為256×256，激勵次數(shù)（NEX）=1，接收帶寬（receiver bandwidth，RBW）= 156 Hz/pixel。

圖1 自動評價分析軟件主程序框圖

在整個掃描過程中圖像定位是至關(guān)重要的一步，有必要可先預(yù)掃描一次，利用第5層圖像進(jìn)行二次定位。這樣可以更好地保證體模定位的準(zhǔn)確性，為質(zhì)量控制的科學(xué)性打下良好基礎(chǔ)。其次，在質(zhì)量控制時必須避開廠家的軟件校準(zhǔn)，但是部分短磁體設(shè)備如果避開廠家失真校正[8]，圖像的質(zhì)量控制根本無法正常進(jìn)行，這種情況需要打開失真校正再進(jìn)行質(zhì)量控制。

2.2 圖像預(yù)處理

對圖像進(jìn)行預(yù)處理并判斷其定位是否準(zhǔn)確，這一步是對質(zhì)量控制本身的評價。如果定位準(zhǔn)確，就繼續(xù)處理；如果定位不準(zhǔn)確，則提示檢測者定位不準(zhǔn)確并判斷質(zhì)量控制不合格，省去了不必要的處理過程。最重要的是提示檢測者，質(zhì)量控制不合格的原因可能是圖像定位問題，對排除設(shè)備故障有所幫助。

2.3 圖像信噪比

圖像信噪比（signal to noise ratio，SNR）指圖像中信號強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值。ACR采用信號背景法測量SNR，信號強(qiáng)度為在圖像中央覆蓋75%的信號區(qū)域的信號均值，噪聲為周圍無偽影背景區(qū)域信號強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差。則SNR為

式中，S為圖像信號強(qiáng)度的平均值，SD為噪聲標(biāo)準(zhǔn)差。標(biāo)準(zhǔn)差計算公式為

式中，Xi為矩陣中對應(yīng)i位置像素的灰度值，為噪聲區(qū)域每個像素灰度的平均值。

軟件實現(xiàn)如圖2所示。

圖2 圖像信噪比程序流程圖

2.4 圖像均勻性

圖像均勻性是指磁共振成像系統(tǒng)在整個均勻掃描體產(chǎn)生恒定信號的能力。測量圖像中包含中心區(qū)域80%體模面積像素信號的最大值Smax與最小值Smin，則圖像均勻性（U）計算公式為

軟件實現(xiàn)如圖3所示。

圖3 圖像均勻性程序流程圖

2.5 空間分辨力

空間分辨力是指單個組織體素的大小，反映了圖像細(xì)節(jié)的可辨力。最常用的分辨力測量就是觀測評估測量法。這種方法對檢測者的影響較大，同一幅圖像不同檢測者，甚至同一檢測者在不同時刻所得到的結(jié)果可能會有差別。為避免以上情況，對空間分辨力的檢測使用調(diào)制傳遞函數(shù)（modulation transfer function，MTF）進(jìn)行評估。磁共振成像設(shè)備在成像方式上與CT、X線機(jī)相比有所不同，其MTF的計算也相對更復(fù)雜。一般使用邊緣擴(kuò)展函數(shù)（edge spread function，ESF）的方法計算MTF，因為利用ESF的方法信噪比相對線和點更大[9]。

MTF可定義為

式中，X為空間位置信息，F(xiàn)T為傅里葉變換，f為空間頻率信息，LSF（line spread function）為線擴(kuò)展函數(shù)。線擴(kuò)展函數(shù)定義為

式中，f為空間頻率信息，xi為對應(yīng)矩陣i位置的像素灰度值，xi-1為i-1位置的像素灰度值。其中，ESF可用多項式擬合或者費米函數(shù)擬合，有學(xué)者研究表明費米函數(shù)擬合效果較好[10]，本軟件利用三階費米函數(shù)擬合ESF。

費米函數(shù)定義為

式中，D為常數(shù)，ai、bi、ci為對應(yīng)系數(shù)，xi為對應(yīng)i位置的像素灰度值。

軟件實現(xiàn)如圖4所示。

圖4 空間分辨力評估程序流程圖

2.6 低對比度分辨力

低對比度分辨力是指磁共振成像設(shè)備對信號大小相近物體的分辨能力，也反映組織的對比度——載噪比（carrier noise ratio，CNR）[11]。

式中，S1、S2分別是2種組織信號值，SD是噪聲標(biāo)準(zhǔn)差的平均值。

ACR檢測方法通過輪輻的識別與計數(shù)實現(xiàn)。在軟件實現(xiàn)時考慮這2種方式同步進(jìn)行。

軟件實現(xiàn)如圖5所示。

圖5 低對比度分辨力評估程序流程圖

2.7 空間線性

空間線性是指描述任何MR系統(tǒng)所產(chǎn)生圖像幾何形變的能力。幾何形變（geometri distortion，GD）可定義為

式中，D真為體模真實長度，D測為體模測量長度。軟件實現(xiàn)如圖6所示。

圖6 空間線性評估程序流程圖

2.8 層厚

層厚是指成像層面在成像空間第三維方向上的尺寸，表示一定厚度的掃描層面，對應(yīng)一定范圍的頻率帶寬，即為成像層面靈敏度剖面線的半高全寬度（full width at half－maximum，F(xiàn)WHM）。

軟件實現(xiàn)：軟件自動設(shè)置閾值時圖像成為如圖7所示圖像，此時需要檢測者依照ACR質(zhì)量控制指導(dǎo)手冊利用軟件自帶測量工具測量上下2個斜坡的長度，將其輸入，則軟件將自動輸出層厚[12]。

圖7 層厚評估示意圖

層厚計算公式為：式中，T為層厚；L頂為頂信號坡度的長度；L底為底信號坡度的長度。

3 輸出報告

將之前所得到的圖像質(zhì)量控制結(jié)果輸出到Excel中，畫出圖表形成最終的質(zhì)量控制報告，如有必要可進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，實現(xiàn)MRI系統(tǒng)的遠(yuǎn)程質(zhì)量控制。對于原始數(shù)據(jù)可建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，不僅方便存檔，還可以進(jìn)行設(shè)備穩(wěn)定性的相關(guān)性研究。

4 討論

本文基于ACR體模對磁共振質(zhì)量控制自動評價的實現(xiàn)已經(jīng)做出非常詳細(xì)的闡述。在圖像定位掃描中提出二次定位，在對部分短磁體設(shè)備質(zhì)量控制時提出打開失真校正，以及最終以Excel報告及數(shù)據(jù)庫的形式輸出質(zhì)量控制結(jié)果，這些都是具有一定建設(shè)性的意見，希望能對以后的研究者有所幫助。當(dāng)然，本文介紹的軟件還存在以下不足：

（1）MATLAB平臺本身存在較大的局限性，在界面編寫、文件轉(zhuǎn)換與處理以及運算速度方面均不如VC＋＋，如果以后的研究者希望在這些方面改進(jìn)可以考慮利用VC＋＋編程實現(xiàn)或者使用混合編程方式實現(xiàn)[13]。

（2）此軟件的一些檢測方法是基于ACR質(zhì)量控制指導(dǎo)手冊以及磁共振質(zhì)量控制指導(dǎo)手冊，在一些參數(shù)評估的算法方面并不能做到很好的科學(xué)性，有些僅僅是考慮如何將功能實現(xiàn)，所以還有很大改進(jìn)空間。例如，在判斷體模定位是否準(zhǔn)確時閾值的選取以及去除圖像偽影部分時閾值的選取，都需要深入研究才更具備科學(xué)性。

（3）ACR體模在層厚檢測方面對定位要求非常嚴(yán)格，有時即使圖像定位準(zhǔn)確也較難進(jìn)行層厚的測量。由于暫時沒有一種行之有效的方法自動檢測層厚，本軟件也沒有設(shè)計層厚自動檢測功能，能做的僅僅是依據(jù)ACR檢測指導(dǎo)手冊半自動檢測層厚。

5 結(jié)語

在磁共振圖像質(zhì)量控制中，利用自動評價系統(tǒng)既能夠保證其結(jié)果的科學(xué)性，又能節(jié)約大量時間，更重要的是對磁共振質(zhì)量控制的普及有很大推進(jìn)作用。相比于觀測評估法，利用軟件自動評價更加容易制定標(biāo)準(zhǔn)并最終形成規(guī)范，這對磁共振質(zhì)量控制的規(guī)范化也能起到促進(jìn)作用?？梢哉f自動評價系統(tǒng)是磁共振質(zhì)量控制發(fā)展的趨勢所在。

[1] 蔡葵.磁共振質(zhì)量控制和質(zhì)量保證在臨床工作和科學(xué)研究中的意義[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2008，23（7）：139-142，155.

[2] 李成，葛劍徽.MRI質(zhì)量檢測圖像參數(shù)自動評價系統(tǒng)的設(shè)計分析[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（10）：25-26，34.

[3] 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)的測定[S].

（????）（????）

[4] QIU J，WANG G，MIN J，et al.Testing the quality of images for permanent magnet desktop MRI systems using specially designed phantoms[J].PhysMedBiol，2013，58（24）：8677-8687.

[5] 王時雨，劉浩．面向數(shù)據(jù)庫的DICOM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)研究[J]．生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2010，27（6）：1 379-1 383.

[6] 謝長生，熊華明，陳頡，等.DICOM圖像顯示的研究與實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與科學(xué)，2002，24（6）：38-41.

[7] Woodard P K，Bluemke D A，Cascade P N，et al.ACR practice guideline for the performance and interpretation of cardiac magnetic resonance imaging（MRI）[J].J Am Coll Radiol，2006，3（9）：665-676.

[8] 胡麗麗，夏黎明，曾仁端，等.MRI偽影探討與分析（二）[J].放射學(xué)實踐，2002，17（1）：87-88.

[9] 朱弋，王斌，楊舒波，等.核磁共振圖像空間分辨率的測定方法探討[J].中國醫(yī)學(xué)裝備，2006，3（4）：21-22.

[10] 張學(xué)斌，徐大誠.基于特征像分析的光學(xué)鏡頭MTF測試方法的研究[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件，2012（10）：168-170.

[11] 石明國.醫(yī)學(xué)影像技術(shù)學(xué)：影像設(shè)備質(zhì)量控制管理卷[M]．北京：人民衛(wèi)生出版社，2011：118-131.

[12] 康立麗，楊紹洲，余曉鍔，等.磁共振成像層厚測量技術(shù)及其改進(jìn)[J].中國醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志，2001，18（2）：83-85.

[13] 劉蓉.Matlab與VC混合編程技術(shù)與實現(xiàn)[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2010（8）：15-16，46.

（收稿：2014-10-10 修回：2015-02-10）

MRI quality control auto evaluation system based on ACR phantom

GUAN Neng-cheng1,2,NI Ping1,CHEN Zi－qian3
(1.Department of Medical Engineering,Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Area Command,Fuzhou 350025, China;2.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China;3.Department of Medical Imaging,Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Area Command,Fuzhou 350025,China)

ObjectiveTo design a MRI quality control auto evaluation software based on ACR phantom.MethodsSome MRI quality control parameters were analyzed to develop the software,including image preprocessing,image signal to noise ratio,image uniformity,spatial resolution,low-contrast resolution,spatial linearity and slice thickness.ResultsThe auto evaluation of the key parameters was implemented based on Matlab image processing.ConclusionThe software lays a foundation for MRI quality control auto evaluation system,and also is an important component of the quality control aumation.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（8）：95-97，112]

MRI;ACR phantom;Matlab;quality control;auto evaluation

R318；TH774

A

1003-8868（2015）08-0095-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.08.095

軍事醫(yī)學(xué)計量專項課題（2011－JL2－014）

官能成（1991—），男，研究方向為磁共振質(zhì)量控制自動評價軟件，E-mail：749915312@qq.com。

350025福州，南京軍區(qū)福州總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科（官能成，倪 萍），醫(yī)學(xué)影像科（陳自謙）；710032西安，第四軍醫(yī)大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院（官能成）

倪 萍，E-mail：511091680@qq.com