梁永剛 付麗媛 陳自謙* 鐘 群 肖 慧 許尚文 陳 堅

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)系統(tǒng)是醫(yī)學(xué)影像診斷不可或缺的檢查技術(shù)之一，其不但可以提供形態(tài)學(xué)結(jié)構(gòu)信息，又可以提供生物化學(xué)及灌注等功能信息，其高級應(yīng)用可為臨床提供更精準(zhǔn)的診斷，從而達(dá)到精準(zhǔn)治療的目的[1-3]。

為了得到科學(xué)準(zhǔn)確及可靠的數(shù)據(jù)和優(yōu)質(zhì)的圖像，降低設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險，必須對成像系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量控制與質(zhì)量管理，即對設(shè)備的質(zhì)量控制和質(zhì)量保證提出要求[4-5]。為此，通過介紹MRI設(shè)備質(zhì)量控制檢測標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指標(biāo)評價體系，探討質(zhì)量控制檢測技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和評價指標(biāo)，從而促進(jìn)MRI設(shè)備質(zhì)量控制工作步入標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化、科學(xué)化和程序化軌道[6]。

1 MRI設(shè)備質(zhì)量控制與質(zhì)量管理的概念

MRI設(shè)備質(zhì)量控制與質(zhì)量管理是指在設(shè)備的選購、安裝、調(diào)試及運(yùn)行的整個過程中嚴(yán)格按照要求進(jìn)行規(guī)范化作業(yè)，使設(shè)備各項指標(biāo)和參數(shù)符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，使其處于安全、準(zhǔn)確及有效的工作狀態(tài)，最優(yōu)化地發(fā)揮設(shè)備的各種性能，為診斷疾病提供優(yōu)質(zhì)圖像而采取的一系列系統(tǒng)措施[4，7-8]。持續(xù)及規(guī)范的MRI設(shè)備質(zhì)量控制與質(zhì)量管理，能夠保證設(shè)備正常高效運(yùn)行，進(jìn)而確保其能為診斷及科學(xué)研究提供優(yōu)質(zhì)的圖像和高質(zhì)量準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

2 MRI設(shè)備質(zhì)量控制檢測規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

目前，國際上比較通用的MRI檢測規(guī)范是由美國放射學(xué)會(American College of Radiology，ACR)和美國醫(yī)學(xué)物理師協(xié)會(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)提出的質(zhì)量控制檢測的系列標(biāo)準(zhǔn)。美國醫(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[9]。AAPM也規(guī)定了MRI設(shè)備質(zhì)量控制檢測規(guī)范，主要參考ACR標(biāo)準(zhǔn)制定，以及美國電氣制造業(yè)協(xié)會(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)標(biāo)準(zhǔn)等[11-13]。

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)包括國家衛(wèi)生行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(WS/T263-2006)“醫(yī)用磁共振成像(MRI)設(shè)備影像質(zhì)量檢測與評價規(guī)范”[14]；醫(yī)藥行業(yè)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)的測定”[15]；國家計量技術(shù)規(guī)范[JJF(京)30-2002]“醫(yī)用磁共振成像系統(tǒng)(MRI)檢測規(guī)范”；以及國內(nèi)其他省市制定的關(guān)于磁共振檢測規(guī)范等的中華人民共和國地方計量技術(shù)規(guī)范[16-19]。

3 MRI設(shè)備質(zhì)量控制檢測評價指標(biāo)

由于MRI系統(tǒng)構(gòu)成十分復(fù)雜，對整個MRI系統(tǒng)進(jìn)行全面測試十分困難，故用戶僅進(jìn)行常規(guī)參數(shù)測試。MRI系統(tǒng)日常質(zhì)量控制檢測項目主要包括中心頻率、磁場均勻性、信噪比(signal to noise ratio，SNR)、圖像的均勻性、空間線性、空間分辨力、低對比度分辨率和層厚等。

3.1 中心頻率

MRI的中心頻率是反映主磁場狀況的一個重要參數(shù)，與主磁場強(qiáng)度成正比，如果中心頻率發(fā)生變化，則意味著相應(yīng)的主磁場發(fā)生了變化。因此，測量中心頻率隨時間的變化可用于監(jiān)測主磁場強(qiáng)度穩(wěn)定性[20]。理論上，磁場中的氫質(zhì)子均是以相同的頻率進(jìn)動，其計算為公式1：

式中ω為進(jìn)動頻率，γ為旋磁比，氫質(zhì)子的γ約為

42 .57 MHz/T，B為主磁場場強(qiáng)。

公式(1)顯示，該進(jìn)動頻率與主磁場的場強(qiáng)成正比[21]。中心頻率檢測整個過程僅需要數(shù)分鐘便可完成，采用自旋回波序列掃描ACR模體，預(yù)掃描階段MRI系統(tǒng)通常會自動確定中心頻率，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)頁中，通過查看掃描參數(shù)頁得到中心頻率并記錄，驗(yàn)收測試時記錄的中心頻率可作為將來質(zhì)量控制的基準(zhǔn)。根據(jù)ACR標(biāo)準(zhǔn)，超導(dǎo)磁體在安裝后的1～2個月內(nèi)可能會出現(xiàn)較大的中心頻率漂移(1 ppm/d)，穩(wěn)定后中心頻率漂移每日應(yīng)＜0.25 ppm，也可根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行情況，由物理師決定質(zhì)量控制檢測指標(biāo)的處置界限[22]。

3.2 磁場均勻性

主磁場的均勻度是主磁體最重要的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，通常以主磁場強(qiáng)度的百萬分之幾數(shù)值(ppm)作為磁場強(qiáng)度偏離的單位，越小代表磁場的均勻度越好。主磁場的均勻度測量主要有以下方法[20]。

(1)頻譜法。使用磁共振波譜預(yù)掃描功能得到中心頻譜，測量半高全寬值(full width at half maximum，F(xiàn)WHM)如圖1所示。

圖1 采用頻譜法得到FWHM(Hz)示圖

該方法簡單易行，可快速評估主磁場均勻性，僅需5 min左右即可完成，適用于可以進(jìn)行波譜序列掃描的設(shè)備，其缺點(diǎn)在于該方法不能對任意平面進(jìn)行評估，精度不高，同時對0.5 T以下的MRI系統(tǒng)的主磁場均勻性無法評估[23]。

(2)頻寬差法。掃描均勻大體積球形水模，利用最小和最大接收帶寬引起的圖像幾何畸變差值來計算磁場強(qiáng)度變化，在相位差圖像的每一個像素上，計算得到磁場不均勻值。頻寬差值法用于不能提供相位圖和頻率曲線的MRI設(shè)備主磁場均勻度的檢測，該方法應(yīng)用廣泛，可用于所有的MRI系統(tǒng)，其缺點(diǎn)在于測量和計算復(fù)雜，且易受人為測量過程中視覺誤差而引起測量結(jié)果出現(xiàn)偏差[23]。

(3)相位法。掃描均勻大體積球形水模，采集兩次回波時間(echo time，TE)不同的梯度回波序列(TE1=35 ms，TE2=30 ms)，分別重建出相位圖像并相減得到相位差圖像。在相位差圖像的每一個像素上，計算得到磁場不均勻值[20]。該方法基于梯度回波序列產(chǎn)生的相位圖，相位圖的相位值可以反映磁場強(qiáng)度變化，去除了引起相位變化的非磁場強(qiáng)度因素。

3.3 信噪比

信噪比是評價圖像質(zhì)量的一個重要指標(biāo)，其受MRI系統(tǒng)諸多因素的影響，如采集序列、層厚、回波時間、重復(fù)時間、激發(fā)次數(shù)等[4]。

ACR標(biāo)準(zhǔn)信噪比測算方法：在ACR體模軸位第七層圖像中央選取75%以上區(qū)域的感興趣區(qū)域(region of interest，ROI)得到信號平均值，在體模周圍背景區(qū)域頻率編碼方向選取一個盡可能大的ROI作為背景信號和噪聲的統(tǒng)計值，圖像的SNR計算為公式2：

式中σair為背景區(qū)域的信號標(biāo)準(zhǔn)偏差[6-10]。

AAPM推薦信噪比計算為公式3：

式中S為信號平均值，獲取方法同上，N為噪聲，其值是信號平均值ROI區(qū)域的信號標(biāo)準(zhǔn)偏差。

AAPM信噪比計算方法中的噪聲包含了隨機(jī)性熱噪聲與結(jié)構(gòu)性噪聲雙重影響，因此會對圖像噪聲估計過大；ACR信噪比計算方法的噪聲降低了結(jié)構(gòu)噪聲的影響，但是忽略了被掃描物體自身產(chǎn)生的隨機(jī)噪聲的影響，從而對噪聲產(chǎn)生低估[24]。

3.4 圖像均勻度

圖像均勻度是衡量磁共振圖像的重要指標(biāo)，其描述了MRI系統(tǒng)對物體的再現(xiàn)能力[25]。圖像均勻度是比較不同區(qū)域信號強(qiáng)度測量值的差異，均勻度計算為公式4：

式中Smax為所測區(qū)域中信號最大值，Smin為所測區(qū)域中信號最小值。

圖像均勻度在0%～100%之間，越大表明圖像均勻度越好。近年來隨著磁共振技術(shù)軟硬件發(fā)展，圖像質(zhì)量及圖像均勻度也大幅度提升，其圖像均勻度也越來越好，基本都可以達(dá)到國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5 線性度

線性度是指圖像的幾何形狀與位置的變形程度，如果掃描得到的圖像彎曲變形與幾何扭曲，偏離真實(shí)的物體結(jié)構(gòu)，表明圖像的線性度不佳。影響幾何變形的主要因素包括梯度磁場非線性和主磁場不均勻性，越偏離等中心點(diǎn)處主磁場越不均勻，特別是先進(jìn)的短磁體大孔徑設(shè)計也會在線圈邊緣產(chǎn)生非線性梯度磁場[20]。線性度的測量一般從3個方向測量，即X軸、Y軸和Z軸，利用測距功能在軸位圖像，分別在縱向與橫向通過體模中心測量圓形體模成像區(qū)的直徑可得到圖像沿X軸和Y軸的尺寸，在體模矢狀位定位像測量矢狀位圖像兩邊的長度可得到圖像沿Z軸的尺寸，其線性度計算為公式5：

式中D0為實(shí)際尺寸，D為測量尺寸，測得的幾何變形程度一般＜5%。

目前，磁共振設(shè)備的梯度與射頻技術(shù)已經(jīng)較為成熟，圖像的線性度較好。

3.6 空間分辨力與空間分辨率

(1)空間分辨力是指MRI圖像對解剖細(xì)節(jié)的顯示能力，其與視野、掃描矩陣和掃描層厚度相關(guān)。ACR標(biāo)準(zhǔn)空間分辨率檢測是在第1層橫截面上，放大圖像2～4倍，可以看到在空間分辨力檢測模塊上有3對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 mm、1.0 mm和0.9 mm，左上陣列和右下陣列分別用來評估左-右方向和頂-底方向的分辨力(如圖2所示)。

圖2 ACR模體空間分辨力測量示圖

(2)空間分辨率還可采用線對卡方法進(jìn)行測量，觀察圖像中可分辨目標(biāo)物的線對數(shù)(每厘米線對數(shù)，1 p/cm)，利用線對卡測量較為直觀，質(zhì)控人員可根據(jù)需要選擇適用測量方法(如圖3所示)。空間分辨率高則容易檢測出微小的物體，在診斷時不易漏掉微小病灶，避免造成漏診、誤診。因此，在日常的質(zhì)量控制檢測中，需要重點(diǎn)對此指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。

圖3 采用線對卡方法進(jìn)行空間分辨率測量示圖

3.7 低對比度分辨率

低對比度分辨率的大小反映MRI設(shè)備分辨信號大小相近物體的能力，即MRI設(shè)備的靈敏程度。ACR標(biāo)準(zhǔn)是計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個碟片組成，在給定的層面內(nèi)，所有的輪輻具有相同對比度，其對比度依次為1.4%，2.5%，3.6%和5.1%。3.0T的MRI設(shè)備，一般要求可識別輪輻數(shù)達(dá)40條，1.5T的MRI設(shè)備，一般要求輪輻達(dá)36條以上[10](如圖4所示)。

圖4 低對比度分辨率測量可分辨輪輻數(shù)示圖

采用美國模體實(shí)驗(yàn)室的Magphan SMR 170性能測試體模，測試低對比度分辨率是用視覺確定能分辨清楚的深度最小和直徑最小的圓孔的像。低對比度分辨率是重要的質(zhì)量評價參數(shù)，對中早期病變的診斷非常有用，早期病變組織與正常組織的弛豫時間比較接近，成像設(shè)備靈敏高則會反映出其差異，靈敏度低則分辨不出(如圖5所示)。

圖5 Magphan SMR 170性能測試體模測試低對比度分辨率圖像

3.8 層厚

層厚是MRI系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，其定義為成像層面靈敏度剖面線的半高全寬度，是指成像面在成像空間第三位方向上的尺寸，表示一定厚度的掃描層面，對應(yīng)的是一定范圍的頻率帶寬。ACR標(biāo)準(zhǔn)層厚測量方法是在軸位圖像第一層，放大并調(diào)整窗寬窗位，使用于層厚測量的交叉斜面信號清晰可見，在2個斜面分別測矩形ROI信號強(qiáng)度，并得到均值，將窗位值設(shè)置為所測斜坡正中的平均信號值的一半，調(diào)節(jié)窗寬，測量上、下2個斜坡的長度L1和L2，計算層厚為公式6：

ACR標(biāo)準(zhǔn)要求層厚5 mm的誤差≤0.7 mm[10]。采用美國模體實(shí)驗(yàn)室的Magphan SMR 170性能測試體模檢測層厚是通過測量斜置帶圖像的寬度，即得到FWHM，計算層厚T(T=FWHM×0.25)，與層厚設(shè)置值比較計算層厚誤差。標(biāo)稱層厚≥5 mm時，其誤差≤±1.0 mm；2 mm≤標(biāo)稱層厚＜5 mm時，其誤差≤±0.5 mm。層厚的測算與操作者密切相關(guān)，要想保證層厚測量準(zhǔn)確，需要有準(zhǔn)確的體模位置擺放，否則會因體模擺放角度誤差給層厚測量帶來誤差(如圖6所示)。

圖6 ACR體模第1層圖像

4 展望

MRI系統(tǒng)在日常的臨床使用中所需要進(jìn)行的基本質(zhì)量測試參數(shù)，而未來對于周期性檢測中所涉及檢測指標(biāo)評估方法的深入研究，能夠幫助臨床工程師合理選用測量方法，準(zhǔn)確的掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。本研究主要基于MR靜態(tài)體模及其質(zhì)量控制檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了探討，一方面保障了MR設(shè)備的可靠運(yùn)行，同時也為后續(xù)本項目組研究的MR動態(tài)心臟體模及其建立MR心血管功能成像軟件質(zhì)量控制檢測技術(shù)規(guī)范奠定了基礎(chǔ)，對于提升MR設(shè)備質(zhì)量控制和安全保障能力有重要的意義。