付麗媛，梁永剛，陳自謙，鐘群，肖慧，許尚文，熊暉，林迪逵

解放軍福州總醫(yī)院 a. 醫(yī)學(xué)影像中心；b. 醫(yī)學(xué)工程科/福建省醫(yī)學(xué)裝備管理質(zhì)量控制中心，福建 福州 350025

引言

醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是目前重要的診斷設(shè)備之一，其性能的合格與圖像質(zhì)量關(guān)乎疾病的正確診斷與對(duì)癥治療，因此做好定期的質(zhì)量控制檢測(cè)對(duì)于保證MRI安全性、可靠性及參數(shù)準(zhǔn)確性非常重要[1-2]。目前國(guó)際上比較通用的MRI檢測(cè)規(guī)范是由美國(guó)放射學(xué)院（American College of Radiology，ACR）和美國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)會(huì)（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）提出的質(zhì)控檢測(cè)的系列標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)醫(yī)用MRI設(shè)備大都采用ACR標(biāo)準(zhǔn)定期進(jìn)行質(zhì)量控制檢測(cè)[3]，國(guó)內(nèi)近些年多位教授和他們的學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)對(duì)MRI常用成像參數(shù)和系統(tǒng)性能的測(cè)試進(jìn)行了研究，并制定了醫(yī)藥行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及地方計(jì)量技術(shù)規(guī)范等[4-6]。國(guó)際與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立為醫(yī)用MRI質(zhì)量控制檢測(cè)提供重要參考依據(jù)。本研究于2016年4月至2017年7月，采用ACR性能測(cè)試模體對(duì)西門子Trio 3.0 T MRI進(jìn)行質(zhì)量控制檢測(cè)，介紹檢測(cè)技術(shù)及測(cè)算方法，展示了檢測(cè)結(jié)果，并建立處置界限，希望能為MRI常規(guī)質(zhì)量控制檢測(cè)的開(kāi)展提供參考與建議。

1 材料與方法

1.1 環(huán)境條件

環(huán)境溫度：20℃～22℃，相對(duì)濕度：50%～60%，大氣壓力：86.0～106.0 kPa，電源電壓 ：（380±10）V。

1.2 檢測(cè)器材及受檢設(shè)備

檢測(cè)器材為MRI專用ACR模體（美國(guó)放射學(xué)院研制），可以檢測(cè)的主要技術(shù)指標(biāo)有空間分辨率、低對(duì)比度分辨率、信噪比（SNR）、圖像均勻性、幾何精度和層厚等。受檢設(shè)備為Siemens Trio 3.0 T MRI（德國(guó)西門子公司制造），2008年10月投入使用。

1.3 模體的準(zhǔn)備、擺位與掃描方法

模體的準(zhǔn)備[7-9]：模體在貯存及搬運(yùn)過(guò)程中，在內(nèi)部檢測(cè)部件上有可能會(huì)出現(xiàn)氣泡附著，因此需要去除氣泡后才能進(jìn)行檢測(cè)。模體的擺位：將模體穩(wěn)定放置于相控陣頭線圈中間，其軸與掃描孔的軸平行，用水平儀檢查模體水平后，正確安裝接收線圈。將激光定位燈十字交叉處對(duì)準(zhǔn)ACR模體的前面的標(biāo)記“NOSE”處的黑色交叉標(biāo)志線（圖1），然后將模體送入磁體等中心位置，待模體靜置5 min后，開(kāi)始進(jìn)行掃描信息登記及掃描。

圖1 ACR模體的擺位圖

掃描參數(shù)：檢測(cè)通常采用自旋回波序列。TR=500 ms，TE=20 ms，矩陣=256×256，層厚=5 mm，層間距=5 mm，F(xiàn)OV= 25 cm×25 cm，接收帶寬=20.48 kHz或156 Hz/pixel，激勵(lì)采集次數(shù)為1次。

掃描方法：先行三平面定位像掃描，然后在矢狀位定位像上確定橫斷位掃描，從模體最下端45o楔形邊相交的頂點(diǎn)到最上端45o楔形邊相交的頂點(diǎn)共掃描11層（圖2），層厚5 mm，層間距5 mm。對(duì)應(yīng)的軸位圖像，見(jiàn)圖3。

圖2 軸位掃描定位及掃描層數(shù)圖像

圖3 掃描得到的模體1～11層橫斷位圖像

1.4 質(zhì)量控制檢測(cè)指標(biāo)測(cè)算方法

1.4.1 中心頻率

在ACR模體預(yù)掃描階段，MR系統(tǒng)通常會(huì)自動(dòng)確定中心頻率。這些信息一般不在圖像上標(biāo)明，但經(jīng)常包含于掃描參數(shù)頁(yè)中，通過(guò)查看掃描參數(shù)頁(yè)得到中心頻率并記錄。

1.4.2 空間分辨率

軸位圖像第1層，將圖像放大2～4倍，可以看到在空間分辨力檢測(cè)模塊上有3對(duì)近似于正方形的小孔陣列，從左到右每組小孔的直徑分別是1.1、1.0和0.9 mm（圖4）。左上陣列和右下陣列分別用來(lái)評(píng)估左—右方向和頂—底方向的分辨力。

1.4.3 低對(duì)比度分辨率

本檢測(cè)主要是計(jì)算所能分辨輪輻的數(shù)目總和，軸位圖像第8～11層可以看到每層圖像上有多個(gè)小碟片呈放射狀輪輻狀排列，每層包括10條輪輻，每條輪輻由3個(gè)碟片組成，在給定的層面內(nèi)，所有的輪輻具有相同對(duì)比度，其對(duì)比度依次為1.4%、2.5%、3.6%和5.1%。3 T的MRI設(shè)備，一般要求可識(shí)別輪輻數(shù)達(dá)40個(gè)，1.5 T的MRI設(shè)備，一般要求達(dá)36個(gè)以上（圖5）。

圖4 ACR模體空間分辨力測(cè)量

圖5 低對(duì)比度分辨率測(cè)量

1.4.4 信噪比

模體軸位圖像第7層，在圖像中央選取至少覆蓋圖像75%以上區(qū)域的ROI得到信號(hào)平均值；在模體周圍背景區(qū)域（頻率編碼方向）選取一個(gè)盡可能大的ROI作為“空氣ROI”，這個(gè)ROI要避開(kāi)偽影，并且要盡可能大，以便獲得最合適的背景信號(hào)和噪聲的統(tǒng)計(jì)值（圖6）。以該區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為噪聲，由公式(1)計(jì)算得出圖像的信噪比。

式中，σair：背景區(qū)域的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖6 SNR測(cè)量圖

1.4.5 圖像均勻性

軸位圖像第6層或第7層，在圖像中選取至少包含中心區(qū)域80%模體面積的ROI，通過(guò)測(cè)量圖像中像素信號(hào)的最大值Smax與最小值Smin來(lái)計(jì)算圖像均勻度（圖7）。由公式(2)計(jì)算出整個(gè)圖像均勻性。

式中，U∑：均勻度；Smax：所測(cè)區(qū)域中信號(hào)最大值；Smin：所測(cè)區(qū)域中信號(hào)最小值。

圖7 圖像均勻度測(cè)量

1.4.6 幾何精度測(cè)量

調(diào)節(jié)合適的窗寬和窗位，采用測(cè)距功能，在矢狀位定位像測(cè)量體模矢狀位圖像兩邊的長(zhǎng)度，在第5層利用測(cè)距功能在縱向與橫向通過(guò)體模中心測(cè)量圓形體模成像區(qū)的直徑（圖8）。依據(jù)公式(3)計(jì)算幾何測(cè)量精度。

式中，GD：幾何測(cè)量精度；D測(cè)：MRI測(cè)量值；D真：專用性能體模被測(cè)距離的標(biāo)稱值。

圖8 幾何精度測(cè)量圖

1.4.7 層厚

軸位圖像第1層，將圖像放大2～4倍并將層厚測(cè)量區(qū)域完整顯示，由于測(cè)量層厚的斜坡信號(hào)比水溶液的信號(hào)要低，因此需要大幅度降低窗位并把顯示窗寬調(diào)窄使信號(hào)坡度有很好的可視性。在每個(gè)信號(hào)坡度正中勾畫一個(gè)矩形ROI（圖9a），分別記下兩個(gè)ROI的信號(hào)平均值，并求出它們的平均值，該結(jié)果近似于斜坡正中的平均信號(hào)值。將窗位值設(shè)置為所測(cè)斜坡正中的平均信號(hào)值的一半，調(diào)節(jié)窗寬，測(cè)量斜坡的長(zhǎng)度（圖9b），記下測(cè)量數(shù)據(jù)。由公式(4)計(jì)算層厚，與層厚設(shè)置值比較計(jì)算層厚誤差。

式中，T：層厚；L頂：頂信號(hào)坡度的長(zhǎng)度；L低：底信號(hào)坡度的長(zhǎng)度。

圖9 ACR模體層厚測(cè)量示意圖

1.5 ACR處置界限標(biāo)準(zhǔn)

在MR設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好的情況下，對(duì)其中心頻率連續(xù)檢測(cè)5次，計(jì)算均值和標(biāo)準(zhǔn)差。中心頻率的處置界限：3.0 T MR設(shè)備的周變化值≤256 Hz；空間分辨率應(yīng)≤1.0 mm；低對(duì)比度分辨率檢測(cè)可識(shí)別輪輻數(shù)為40；信噪比的周變化值范圍為±標(biāo)準(zhǔn)差以內(nèi)；圖像均勻性為≥82%；幾何精度為D真±2 mm；層厚為（5.0±0.7） mm以內(nèi)[3]。

2 結(jié)果

基于ACR標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Siemens Trio 3.0 T磁共振成像系統(tǒng)進(jìn)行5次質(zhì)量控制檢測(cè)，得到的檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1，中心頻率均值為（123216843.8±16.71）Hz，處置界限為周變化≤246 Hz；空間分辨率檢測(cè)結(jié)果均為1.0 mm（左右），1.0 mm（頂?shù)祝?，處置界限?yīng)≤1.0 mm；低對(duì)比度分辨率可識(shí)別輪輻個(gè)數(shù)為40，處置界限為40；圖像信噪比均值為520.214±56.20，處置界限為周變化±56.20以內(nèi)；圖像均勻性處置界限≥82%；幾何精度（X方向、Y方向、Z方向）處置界限為D真±2 mm；層厚處置界限為（5.0±0.7）mm以內(nèi)。根據(jù)ACR標(biāo)準(zhǔn)要求，掃描條件為：自旋回波序列，TR=500 ms，TE=20 ms，矩陣=256×256，層厚=5 mm，層間距=5 mm，F(xiàn)OV=25 cm×25 cm，接收帶寬=20.48 kHz或156 Hz/pixel，激勵(lì)采集次數(shù)為1次的條件下，中心頻率周變化值應(yīng)≤2 ppm，空間分辨率為1.0 mm或更好，低對(duì)比度分辨率可識(shí)別輪輻個(gè)數(shù)為40個(gè)，幾何精度為真值±2 mm以內(nèi)，層厚為（5.0±0.7）mm以內(nèi)，圖像均勻度為82%或更好，信噪比周變化為±1×基線值的標(biāo)準(zhǔn)差。本系統(tǒng)質(zhì)量控制檢測(cè)結(jié)果均在處置界限范圍內(nèi)，設(shè)備運(yùn)行良好。

3 討論

隨著MRI設(shè)備的普及應(yīng)用，設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中存在巨大風(fēng)險(xiǎn)，包括運(yùn)行安全和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。國(guó)外對(duì)MRI設(shè)備質(zhì)量控制檢測(cè)起步較早，并制定了一系列檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，如AAPM標(biāo)準(zhǔn)、ACR標(biāo)準(zhǔn)及美國(guó)電氣制造業(yè)協(xié)會(huì)（National Electrical Manufacturers Association，NEMA）標(biāo)準(zhǔn)等。在美國(guó)，由頂尖學(xué)者組成的著名的AAPM學(xué)會(huì)，他們對(duì)許多大型高端醫(yī)療設(shè)備幾乎每日一檢。盡管目前國(guó)內(nèi)對(duì)醫(yī)用MRI質(zhì)量控制檢測(cè)還處于初級(jí)階段，但已經(jīng)在質(zhì)控檢測(cè)方面提供了積極支持，如制定部分檢測(cè)規(guī)程，開(kāi)展部分設(shè)備檢測(cè)等[10-11]。

MRI系統(tǒng)質(zhì)量控制檢測(cè)項(xiàng)目主要包括中心頻率、空間分辨率、低對(duì)比度分辨率、SNR、圖像的均勻性、空間線性和層厚等[12]。MR的中心頻率是反映主磁場(chǎng)狀況的一個(gè)重要參數(shù)，與主磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，如果中心頻率發(fā)生變化，則意味著相應(yīng)的主磁場(chǎng)發(fā)生了變化。因此，中心頻率的變化可間接反映主磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化。中心頻率檢測(cè)整個(gè)過(guò)程僅需要幾分鐘便可完成。本研究中心頻率的變化均在處置范圍內(nèi)?？臻g分辨率是MRI系統(tǒng)重要的特性之一，是MR圖像對(duì)解剖細(xì)節(jié)的顯示能力。在進(jìn)行質(zhì)控檢測(cè)中如果發(fā)現(xiàn)MRI的空間分辨力有降低，需要對(duì)掃描參數(shù)進(jìn)行核對(duì)，若參數(shù)無(wú)誤則考慮磁共振性能可能有所下降，需及時(shí)聯(lián)系廠家工程師對(duì)問(wèn)題進(jìn)行處理，以免在使用過(guò)程中對(duì)患者造成漏誤診[13]。低對(duì)比度分辨率表示MRI設(shè)備的靈敏程度，成像設(shè)備靈敏度高會(huì)分辨出弛豫時(shí)間比較接近的病變組織與正常組織的差異，不靈敏則會(huì)混成一體分辨不出，這對(duì)一些中早期病變的診斷很有用。低對(duì)比度分辨率受偽影、信噪比和均勻度等多種因素的影響。圖像偽影、信噪比低下及均勻度差均可造成低對(duì)比分辨率的降低。低對(duì)比度分辨率的檢測(cè)主要通過(guò)目視其能分辨輪輻的數(shù)目總和進(jìn)行評(píng)價(jià)，本研究經(jīng)過(guò)檢測(cè)得到其可識(shí)別輪輻數(shù)均為40，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。信噪比是MRI最基本的質(zhì)量參數(shù)，它受MR系統(tǒng)線圈調(diào)節(jié)、射頻屏蔽、成像序列和參數(shù)設(shè)置等諸多因素的影響，且SNR的高低直接決定圖像質(zhì)量的好壞，因此定期進(jìn)行測(cè)試是十分必要的[14]。如果計(jì)算得到圖像信噪比低導(dǎo)致圖像質(zhì)量很差，應(yīng)主要考慮到線圈是否正常、成像序列和參數(shù)設(shè)置是否合理并優(yōu)化以及設(shè)備是否存在故障等。若為設(shè)備故障引起的信噪比降低，應(yīng)仔細(xì)檢查MRI設(shè)備，進(jìn)行必要的維修保養(yǎng)。本研究中信噪比整體比較穩(wěn)定，未發(fā)現(xiàn)有大幅降低的情況，檢測(cè)結(jié)果達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。圖像均勻性反映了MRI對(duì)模體內(nèi)同一物質(zhì)區(qū)域的再現(xiàn)能力，理想的圖像均勻性應(yīng)該為100%，通常對(duì)于FOV為25 cm，其整體均勻性應(yīng)大于82%。當(dāng)MR主磁場(chǎng)均勻度不好、射頻場(chǎng)不均勻、圖像出現(xiàn)偽影均會(huì)影響圖像均勻度。為了得到良好的圖像均勻度，MR工程師需要對(duì)設(shè)備定期進(jìn)行保養(yǎng)，清除線圈及孔徑內(nèi)的金屬異物及殘留的血液及對(duì)比劑，對(duì)于提高圖像均勻度有重要意義。幾何精度是衡量MR系統(tǒng)圖像變形程度的參數(shù)，體現(xiàn)了MRI重現(xiàn)物體幾何尺寸的能力，幾何精度主要受梯度磁場(chǎng)及主磁場(chǎng)均勻度影響，當(dāng)梯度磁場(chǎng)缺陷使相位編碼和頻率編碼出現(xiàn)誤差，易產(chǎn)生幾何失真，當(dāng)主磁場(chǎng)均勻度較差會(huì)導(dǎo)致線性失真。在進(jìn)行質(zhì)控檢測(cè)中如果發(fā)現(xiàn)圖像有幾何變形，要對(duì)掃描參數(shù)、靜磁場(chǎng)及梯度磁場(chǎng)進(jìn)行自查，如有需要可聯(lián)系廠家工程師協(xié)助處理。層厚是MRI系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，層厚定義是成像層面靈敏度剖面線的半高全寬度，表示一定厚度的掃描層面，對(duì)應(yīng)一定范圍的頻率帶寬。影響層厚的主要因素有Z方向梯度場(chǎng)的性能、射頻場(chǎng)性能、主磁場(chǎng)均勻性及選層脈沖。在進(jìn)行質(zhì)控檢測(cè)中如果發(fā)現(xiàn)層厚誤差超出范圍，則要對(duì)以上因素進(jìn)行自查，如有需要可聯(lián)系廠家工程師協(xié)助處理，以免因?qū)雍裾`差導(dǎo)致漏診。

表1 Siemens Trio 3.0 T磁共振成像系統(tǒng)質(zhì)量控制檢測(cè)結(jié)果

處置界限的建立方法：MRI設(shè)備購(gòu)買安裝并投入使用之后，在良好運(yùn)行的時(shí)間內(nèi)，首先要通過(guò)連續(xù)多次測(cè)量，建立起設(shè)備運(yùn)行基線，然后根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行情況由物理師決定質(zhì)量控制檢測(cè)指標(biāo)的處置界限。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)良好的情況下，質(zhì)量控制檢測(cè)指標(biāo)均圍繞建立的基線波動(dòng)，如果出現(xiàn)偏離基線較多的情況，就需要對(duì)設(shè)備的軟硬件進(jìn)行校正。本研究建立的處置界限均為ACR推薦的處置界限。另外，連續(xù)檢測(cè)的時(shí)間跨度對(duì)處置界限建立有影響，如果每周檢測(cè)，這樣變化值就會(huì)很小，得到的處置界限的范圍會(huì)比較窄；如過(guò)時(shí)間跨度比較大，獲得的處置界限就會(huì)比較寬。本研究的時(shí)間跨度從一個(gè)月到半年，時(shí)間跨度較大，所以得到的處置界限也比較寬，但仍然在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

總之，本研究基于ACR標(biāo)準(zhǔn)對(duì)MRI的關(guān)鍵質(zhì)量控制參數(shù)進(jìn)行了檢測(cè)，介紹了檢測(cè)方法，展示了檢測(cè)結(jié)果，建立了處置界限。希望通過(guò)我們的研究，能夠?yàn)橥许樌_(kāi)展MRI質(zhì)量控制檢測(cè)提供參考。除此之外，更重要的是持續(xù)不斷地進(jìn)行質(zhì)量控制檢測(cè)，一個(gè)有效的質(zhì)量控制檢測(cè)并不會(huì)消除設(shè)備本身的問(wèn)題，而是在造成嚴(yán)重后果之前可以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。質(zhì)量問(wèn)題可能很快或逐漸出現(xiàn)，有些質(zhì)量的意外變化可以在進(jìn)行常規(guī)臨床工作中檢查出來(lái)。但是，更多、更細(xì)微的改變只能靠常規(guī)質(zhì)量控制檢測(cè)。因此，長(zhǎng)期的周期性質(zhì)量控制檢測(cè)，對(duì)于確保設(shè)備安全運(yùn)行和參數(shù)科學(xué)準(zhǔn)確具有重要的意義。