華佳，王艷

中山大學測試中心 （廣東廣州 510275）

功能磁共振成像（functional magnetic resonance imaging，fMRI）是一種基于血氧水平依賴的新興神經(jīng)成像技術(shù)，通過檢測大腦血氧水平變化，間接反映神經(jīng)元活動[1]。20世紀90年代，fMRI 首次被用于大腦功能的檢測。經(jīng)過近30年的蓬勃發(fā)展，fMRI已成為研究人類神經(jīng)科學以及各種神經(jīng)和精神疾病不可或缺的工具[2-3]。與常規(guī)磁共振成像相比，fMRI檢測到的神經(jīng)元活動很微弱，其對硬件性能和質(zhì)量控制的依賴度也更高[4]。目前，國際上公認的磁共振質(zhì)量控制指南均是由美國放射學會（American College of Radiology，ACR）和美國醫(yī)學物理學會制定的，但這些指南均是基于價格昂貴且測量指標僅限于幾何度量的專用體模，并不能滿足具備高靈敏度的fMRI 設(shè)備對質(zhì)量控制的要求。目前國內(nèi)外針對fMRI 質(zhì)量控制的研究較少[5-8]，且尚無針對Prisma 的特定fMRI 的質(zhì)量控制研究。

鑒于此，本研究基于西門子的Prisma，利用出廠自帶體模，針對自旋回波（spin echo，SE）序列的信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）、均勻度和平面回波成像（echo-planar imaging，EPI）序列的SNR、信號波動噪聲比（signal-to-fluctuation-noise ratio，SFNR）、漂移率、波動率、均勻度、奈奎斯特鬼影（ghosting）率、頻譜峰值關(guān)鍵指標，在Matlab 上搭建了自動化質(zhì)量控制程序，旨在建立質(zhì)量控制方案，用于日常評估設(shè)備的穩(wěn)定性，現(xiàn)報道如下。

1 材料和方法

1.1 材料

選擇2021年2月23日至6月18日西門子Prisma功能磁共振不定期采集的54次水模質(zhì)量控制數(shù)據(jù)為研究對象。儀器經(jīng)過校準，以確保其處于正常狀態(tài)。掃描前，水模平放托架后，置入線圈內(nèi)固定位置（圖1a），靜置5 min，其中，水模放置位置、定位框位置、采集協(xié)議始終保持一致。

圖1 擺位及分析示意圖

1.2 儀器與方法

采用西門子3T Prisma 掃描儀，64通道頭頸線圈。掃描序列及參數(shù)具體如下。（1）結(jié)構(gòu)圖像：2D SE序列，視野192 mm×192 mm，層數(shù)15，重復時間601 ms，回波時間20 ms，層面內(nèi)插值后分辨力0.5 mm×0.5 mm×5 mm，帶寬205 Hz/Px，掃描時間1 min 58 s。（2）功能圖像：EPI 序列，視野224 mm×224 mm，層數(shù)62，重復時間2 000 ms，回波時間30 ms，分辨力2 mm（各向同性），帶寬2 350 Hz/Px，測量次數(shù)110，多層同時激發(fā)因子2，并行采集加速因子2，相位編碼方向從前到后（anterior to posterior，AP），掃描時間3 min 52 s。

1.3 數(shù)據(jù)自動分析流程

數(shù)據(jù)自動分析流程見圖2，每次開始實驗前，采集設(shè)備質(zhì)量控制數(shù)據(jù)，上傳至服務器，利用Matlab 軟件自動完成質(zhì)量控制過程，以簡短報告形式呈現(xiàn)質(zhì)量控制結(jié)果，并以Excel 及jpg 格式保存數(shù)據(jù)處理過程及結(jié)果。

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

1.4 定位檢測

所有質(zhì)量控制指標均采用自動計算的方式，因此，需自動檢測體模在圖像中的位置；利用k均值聚類自動提取體模和背景區(qū)域的灰度閾值，根據(jù)閾值確定體模圖像的邊界[7]（圖1b）；由于fMRI 圖像存在AP 方向的變形，所以對體模邊界列坐標進行離散采樣，擬合上半圓和下半圓兩個圓心坐標（xup，yup）、（xdown，ydown）和半徑rup、rdown，再估算出圓心坐標（x，y）和半徑R：x=（xup+xdown）/2，y=（yup+ydown）/2，R=（rup+rdown）/2；通過線性擬合各層面圓心坐標，計算定位框在X/Y 方向偏離水模長軸的角度。本研究以傾斜角＜2°為有效質(zhì)量控制數(shù)據(jù)判定標準。

1.5 質(zhì)量控制指標

對質(zhì)量控制數(shù)據(jù)，以（x，y）為圓心，0.8R為半徑定義中心感興趣區(qū)（region of interest，ROI），圖1c 中的圓形表示中心ROI（圖1c），圖1c 中的正方形表示背景噪聲區(qū)ROI（圖1c），圖1d 中的矩形表示ghosting 區(qū)ROI（圖1d）。依次計算SE 序列的SNR、均勻度和EPI 序列的SNR、SFNR、漂移率、波動率、均勻度、ghosting 率、頻譜峰值[6-7，9-10]，并記錄各參數(shù)隨時間的變化。

1.6 統(tǒng)計學處理

采用變異系數(shù)（coefficient of variation，CV）定量分析不同指標的波動情況，先基于夏皮羅-威爾克（Shapiro-Wilk，SW）檢驗對各指標做正態(tài)性檢驗，然后采用皮爾森相關(guān)性分析法分析各指標間的相關(guān)性，降低質(zhì)量控制指標復雜度，采用SPSS 25.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析，P＜0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

2 結(jié)果

2.1 質(zhì)量控制標準建立

前30次質(zhì)量控制數(shù)據(jù)經(jīng)定位檢測后，分別計算所有質(zhì)量控制指標。各參數(shù)的均值（x-）、標準差（s）和CV見表1。由表1可知，除頻譜峰值的CV＞10%外，其余質(zhì)量控制參數(shù)的CV均＜10%，其中漂移率（9.06%）和波動率（7.67%）的CV相對較大。

表1 質(zhì)量控制參數(shù)結(jié)果

利用前30次質(zhì)量控制結(jié)果，結(jié)合相關(guān)研究，建立質(zhì)量控制區(qū)間。ACR 推薦的ghosting 率質(zhì)量控制上限為2.5%[9]，結(jié)合測量情況，本研究以＜1.25%為ghosting 率的質(zhì)量控制標準。針對頻譜信號，以0.25為頻譜峰值質(zhì)量控制上限。依據(jù)拉依達準則，檢測結(jié)果的隨機誤差應在±3σ 以內(nèi)[5]，所以，其余指標以x-±3σ 為質(zhì)量控制區(qū)間（表1）。

各參數(shù)的皮爾森相關(guān)分析結(jié)果見表2。其中，SE半徑（P=0.008）和SFNR（P=0.022）未經(jīng)過SW正態(tài)檢驗，其余指標均服從正態(tài)分布。分析結(jié)果顯示：EPI和SE的均勻度之間存在極顯著強正相關(guān)關(guān)系（r=0.880，P＜0.001）；EPI和SE的SNR之間存在顯著中度負相關(guān)關(guān)系（r=-0.366，P=0.047）；EPI的波動率和漂移率之間存在顯著中度正相關(guān)關(guān)系（r=0.412，P=0.024）。因此，為降低數(shù)據(jù)分析復雜度，定義SE半徑、EPI均勻度、SFNR、SNR、波動率、ghosting率、頻譜峰值為關(guān)鍵指標，建立質(zhì)量監(jiān)控。

表2 質(zhì)量控制參數(shù)的相關(guān)矩陣

2.2 數(shù)據(jù)驗證

驗證數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制參數(shù)隨時間的變化情況見圖3，縱坐標表示各參數(shù)，橫坐標表示掃描順次（共24 d），黑色和灰色虛線分別表示參數(shù)質(zhì)量控制上下限。由圖3可知，24 d 的質(zhì)量控制指標隨機波動，但均在正常范圍內(nèi)。

圖3 數(shù)據(jù)驗證結(jié)果

3 討論

數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性和可重復性一直是功能成像研究面臨的首要問題[4]。因此，長期監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，確保設(shè)備性能穩(wěn)定對開展縱向科學研究至關(guān)重要。對磁共振設(shè)備制定質(zhì)量控制方案，實現(xiàn)高效、精準的質(zhì)量控制具有十分重要的意義。利用設(shè)備出廠自帶的水模作為掃描對象開展日常質(zhì)量控制工作，便于實現(xiàn)、推廣。由于不同設(shè)備的硬件性能有所差異，所以，質(zhì)量控制范圍的確立需針對具體的設(shè)備而制定。

為建立有效的質(zhì)量控制范圍，本研究首先通過SE 序列的SNR、均勻度和EPI 序列的SNR、SFNR、漂移率、波動率、均勻度、ghosting 率、頻譜峰值關(guān)鍵指標評估設(shè)備性能；表1結(jié)果顯示，除頻譜峰值的CV=11.16%外，其余參數(shù)的CV均＜10%；SE 序列的半徑在一定程度上可反映線性度，CV＜1%表明該參數(shù)穩(wěn)定性較高，可以用于定位檢測和檢測梯度性能，該參數(shù)的穩(wěn)定性較高可能與SE 序列對主磁場不均勻性不敏感，且分辨力和SNR 均較高有關(guān)；SE 和EPI 序列的均勻度計算公式相同，所以兩者存在極顯著強正相關(guān)關(guān)系（r=0.880，P＜0.001），均勻度是評估設(shè)備狀態(tài)最基礎(chǔ)的參數(shù)之一[9]；SE 和EPI 序列的SNR 存在顯著中度負相關(guān)關(guān)系（r=-0.366，P=0.047），這可能是由于高通道數(shù)線圈圖像不均勻和兩種噪聲評估方式存在一定的差異，且靜態(tài)空間噪聲對圖像均勻性不敏感，所以EPI 序列SNR的CV（1.54%）小于SE序列（6.45%）。EPI 序列的SFNR、波動率、漂移率、ghosting 率和頻譜峰值是fMRI 質(zhì)量控制的代表性參數(shù)。SFNR 可用于評估設(shè)備硬件的信號穩(wěn)定性，也稱為時間信噪比。漂移率通過二次線性擬合可評估磁場漂移的程度；波動率可評估剔除磁場漂移后的信號時域波動；頻譜峰值是從頻域分析梯度、射頻等是否引起異常頻率波動[6]。ghosting 是由于正負編碼梯度的延遲等，引起k 線奇偶行中心不一致導致，如果偽影過大，會降低結(jié)果的可靠性，本研究中的ghosting 率＜1.25%[9]。以上幾個質(zhì)量控制參數(shù)相互影響，但又有所側(cè)重，為設(shè)備性能的精準監(jiān)測提供了可能。本研究結(jié)果顯示，24次隨機監(jiān)測的質(zhì)量控制指標均在質(zhì)量控制范圍內(nèi)，進一步驗證了所建立的質(zhì)量控制方案的有效性。

本研究是首次基于Prisma 建立fMRI 的質(zhì)量控制范圍，并驗證了質(zhì)量控制方案的有效性。本研究的質(zhì)量控制方案從擺位、序列選擇、數(shù)據(jù)采集上均做了規(guī)范化要求，從定位檢測、指標計算到結(jié)果保存均實現(xiàn)了自動化，最大限度地降低了不確定因素的干擾，降低了質(zhì)量控制人員工作的復雜度，且便于質(zhì)量控制結(jié)果的回溯；尤其在序列選擇上，由于EPI 序列對主磁場不均勻性比較敏感、k空間迂回填充，且受采集時間限制，所以EPI 圖像的分辨力較低，相位編碼方向存在一定形變；基于此，在定位檢測時采用SE 序列，該序列對主磁場不敏感，層面分辨力較高，同時采用5 mm 層厚，增加圖像SNR，該序列也可用于評估集合性能，如線性度。

本研究存在以下不足：由于采用出廠體模，僅能計算體模半徑，無法評估如分辨力等設(shè)備其他幾何性能的變化；本研究缺少異常的質(zhì)量控制數(shù)據(jù)，為進一步反證質(zhì)量控制范圍的有效性，仍需長期監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)；水模質(zhì)量控制無法評估被試生理噪聲等對數(shù)據(jù)的影響。

綜上所述，本研究提出了基于Prisma 的fMRI質(zhì)量控制方案，驗證結(jié)果表明質(zhì)量控制方法性能檢測表現(xiàn)較好。本方案有望成為fMRI 日常質(zhì)量控制的有效工具，及時有效的監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，保證日常磁共振數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時不僅可為其他型號磁共振設(shè)備的質(zhì)量控制提供參考，還可為fMRI 的多中心研究、基于磁共振的網(wǎng)絡(luò)平臺與技術(shù)開發(fā)打下基礎(chǔ)[11]。