腦功能磁共振設備性能參考基線建立方法初探

1.中國人民解放軍第五醫(yī)院 醫(yī)學工程科，寧夏回族自治區(qū) 銀川 750004；

2.南京軍區(qū)福州總醫(yī)院 醫(yī)學工程科，福建 福州 350000

腦功能磁共振設備性能參考基線建立方法初探

史剛1，楊明1，倪萍2

1.中國人民解放軍第五醫(yī)院 醫(yī)學工程科，寧夏回族自治區(qū) 銀川 750004；

2.南京軍區(qū)福州總醫(yī)院 醫(yī)學工程科，福建 福州 350000

目的設計一種針對腦功能磁共振成像設備的質量檢測方法，建立個性化的性能參考基線，實時監(jiān)測設備性能。方法參考美國放射學學會制定的ACR檢測標準，使用標準ACR水模及功能成像的常用序列設計質量檢測方法，對儀器進行周期性檢測并對數據進行處理，繪制性能基線。結果建立的性能基線能準確反應成像系統的實時性能，并具有一定的預測功能。結論該檢測方法操作簡單，耗時少，性能參考基線能科學準確地監(jiān)測設備狀態(tài)。

腦功能磁共振；質量控制；性能參考基線；信號穩(wěn)定性；圖像扭曲變形；Ghost偽影

自1978年英國諾丁漢大學和阿伯丁大學物理學家首次獲得人體MR圖像以來[1]，磁共振技術以其獨有的軟組織成像特點在影像領域的地位不斷攀升。1990年Belliveau首次報道了血氧水平依賴檢測技術，為影像學從單一形態(tài)學研究到形態(tài)與功能相結合的系統研究的轉變開辟了一條嶄新的道路，沒有醫(yī)學影像技術和醫(yī)學影像設備的進步和發(fā)展，就不可能有今天的現代醫(yī)療技術和先進診斷水平[2]。

血氧水平依賴功能磁共振成像（Blood Oxygenation Level Dependent-functional Magnetic Resonance Imaging, BOLD-fMRI）是在常規(guī)磁共振成像基礎上發(fā)展起來的一項新技術，主要用于對大腦各級功能的研究，研究內容包括視聽覺、運動功能、藥物成癮、腦外科術前定位以及腦創(chuàng)傷術后功能恢復評估等，相關的研究和成果在國內外已有諸多報道，但與之相應的質量控制檢測的討論研究卻很少。據統計顯示，目前我國磁共振儀器的運行狀況并未完全達標[3]，還沒有一個統一的規(guī)范的質量控制檢測標準。本文參考美國放射學學會(American College of Radiology, ACR)制定的MR質量控制手冊中相關參數的檢測方法，結合功能磁共振的成像特點設計了新的檢測評價方法，并通過對總院的Siemens Trio Tim 3T磁共振成像設備進行定期的質量控制檢測及對數據進行分析處理，建立起各參數的性能參考基線，用以評價日常MRI設備的性能狀況，并分析了各項參數的影響因素。目的是降低檢查者的風險，提高圖像可靠性，提早預判設備可能出現的問題，降低設備的維護成本。

1 功能磁共振成像原理

功能磁共振成像的技術基礎是血氧水平的變化，通過間接檢測組織中氧合血紅蛋白（Oxyhemoglobin，OHb）與脫氧血紅蛋白（Deoxygenated Hemoglobin, DHb）濃度變化來成像，DHb是一種順磁性物質，它的存在會影響血管附近磁場的均勻性，縮短T2*時間，在T2*加權成像時，使局部的信號強度減弱。人腦在靜息狀態(tài)下，血液中OHb與DHb的濃度比呈穩(wěn)定狀態(tài)，當功能區(qū)域被激活后，激活區(qū)氧消耗增加，又由于血流的增加與輕度增加的需氧量是不成比例的，這種局部血流過度增加的效應（代謝需要和局部腦血流的耦合效應）使得被激活區(qū)域內靜脈血液中的DHb濃度不升反降，DHb水平的相對減少導致局部磁場不均勻性降低，從而使激活區(qū)的T2*信號強度得以增加。功能磁共振成像正是通過檢測這些增強點捕獲到激活區(qū)域進而生成圖像的。

2 材料和方法

2.1 ACR水模

ACR磁共振成像水模是一個短的，兩端密閉的丙烯酸塑料空心圓筒，其結構及定位掃描結果，見圖1。如圖1左側所示：內部長度為148 mm，內徑為190 mm，里面充滿著氯化鎳和氯化鈉溶液，外部是蝕刻在表面的為了確定水模掃描位置的單詞，NOSE和CHIN。水模的內部是一些為了測試掃描器相關參數而設計的特殊結構，圖1右側是定位掃描結果。

圖1 ACR水模結構及定位掃描結果

2.2 參數選擇

掃描序列：11層，EPI序列，TR=3000 ms，TE=30 ms，FOV=25 cm，層厚=5 mm，層間隔=5 mm，Scan Matrix= 256×256，NEX=1，回波鏈長度：22。

2.3 檢測參數及方法

信噪比SNR的測量方法與常規(guī)檢測方法一致，在此不作贅述。

2.3.1 信號穩(wěn)定性

功能磁共振信號穩(wěn)定性是指對同一對象進行連續(xù)掃描的過程中圖像信號強度隨時間的變化情況。由于磁共振設備性能的不穩(wěn)定性最終會表現為圖像灰度的變化波動，因此可以選用同一序列來檢測同一水模的同一個感興趣區(qū)（Region of Interest, ROI），計算該區(qū)域的灰度平均值的波動情況，即可反應功能磁共振信號的穩(wěn)定性。

功能磁共振信號穩(wěn)定性單次檢測結果，見圖2。圖中曲線的縱坐標對應的就是成像中同一區(qū)域（ROI≥圖像的70%）的信號強度的平均值，橫坐標是不同的掃描序號，考慮到系統預熱，去掉前后各10個結果，在中間段找到曲線的最大值和最小值，代入公式：穩(wěn)定性= 200%×（Smax - Smin）/（Smax + Smin）。

曲線的生成是利用磁共振設備自帶的軟件實現的，在GE Excite HD 1.5T設備上調用functional tool軟件；在Siemens Trio Tim 3T設備上調用Mean Curve軟件。

由于功能成像的有用信號幅度非常之小，很容易淹沒在不穩(wěn)定的波動中，所以必須對波動情況加以嚴格的限制。AAPM(美國醫(yī)學物理學家協會)提出BOLD-fMRI掃描激活信號標準差的漲落幅度應≤0.3%。

圖2 功能磁共振信號穩(wěn)定性單次檢測結果

2.3.2 圖像扭曲變形

扭曲形變是選擇EPI序列掃描時，由于系統硬件的性能波動以及序列對磁場不均勻性的高敏感度，使成像結果常常會發(fā)生較為明顯的不限于頻率和相位編碼方向的形變，幾何畸變主要反映梯度場性能[4-5]。

分別測量圖像在相位編碼方向和頻率編碼方向的直徑，計算測量值與理論值的偏差。實際形變圖像，見圖3。

計算公式為：扭曲變形率=（1-|Lm-Lt|）100% ，公式中Lm表示測量值，Lt表示理論值。

要求：偏差＜1%。

圖3 實際形變圖像

2.3.3 Ghost偽影

EPI序列使用方向相反的頻率讀出梯度交替采集MR信號的奇、偶回波，由于靜磁場的不均勻性、梯度磁場高速切換產生的渦流以及采集時序的不準確性等，使k空間的奇、偶回波之間呈現一定的相位差，于是在相位編碼方向產生了ghost偽影。Ghost偽影測試示意及實際測量圖，見圖4。

測量方法：選擇均勻的一層，如圖4所示，左邊一幅為示意圖，右邊為實際測量中的圖像。

計算公式為：ghosting ratio = |((top+btm)-(left+right)/ (2*(large ROI))|。

公式中top, btm, left, right分別代表圖4中右圖中示意區(qū)域的信號均值。

要求：偽影＜3%。

圖4 Ghost偽影測試示意及實際測量圖

3 檢測結果

3.1 信號穩(wěn)定性

3.1.1 檢測結果

信號穩(wěn)定性檢測數據，見表1；信號穩(wěn)定性參考基線，見圖5。

表1 Siemens Trio Tim 3．0T穩(wěn)定性檢測數據

圖5 信號穩(wěn)定性參考基線

3.1.2 影響因素分析

主磁場的均勻分布是檢測的基礎，主磁場不均勻，梯度系統就不能很好地進行定位和編碼，嚴重影響檢測結果；由于人體組織的T2*衰減非常迅速，為了保證能夠及時完成K空間的采集，需要保證讀出梯度足夠短，EPI要求讀出梯度的爬升時間比標準時間短幾倍，而且必須達到高的水平，因為圖像在讀出方向的空間分辨率取決于讀出梯度場波形的積分，所以要求讀出梯度持續(xù)時間非常短，梯度幅度非常高，以及梯度場的切換率＞200 T/m/s，這對于系統的硬件性能要求極高，如果不能滿足，則會導致檢測失?。簧漕l激發(fā)系統與接收系統之間的屏蔽不好，也會導致接收的信號發(fā)生較大的波動，影響檢測結果的穩(wěn)定性。因此，當該項參數檢測結果與參考基線有較大偏差時，提示工程師檢查電源系統是否穩(wěn)定，射頻系統與接收系統之間的屏蔽是否完好，是否有異物存在磁場中。

3.2 圖像扭曲變形

3.2.1 檢測結果

圖像扭曲變形檢測數據，見表2；圖像扭曲變形參考基線，見圖6。

表2 Siemens Trio Tim 3．0T扭曲形變檢測數據

圖6 圖像扭曲變形參考基線

3.2.2 影響因素分析

水模的正確擺位是進行檢測的基礎，擺放不正會直接導致幾何尺寸發(fā)生差異，檢測結果不合格；磁性異物的存在也會影響主磁場的分布，反映在圖像上為微小的形變或偽影，影響結果；梯度放大器如果發(fā)生故障，梯度磁場的線性和均勻性均受影響，導致層面選擇不準確，幾何尺寸也會發(fā)生相應的偏差；如果接收帶寬過窄，系統對磁場不均勻性敏感性增強，微小的差異就會導致成像結果發(fā)生形變。因此，當該項參數的參考基線發(fā)生較大偏移時，工程師應檢查梯度放大器工作狀態(tài)并排除磁性異物的影響。

3.3 Ghost偽影

3.3.1 檢測結果

Ghost偽影檢測數據，見表3；Ghost偽影參考基線，見圖7。

表3 Siemens Trio Tim 3．0T偽影檢測數據

圖7 Ghost偽影參考基線

3.3.2 影響因素分析

在EPI序列成像結果中Ghost 偽影是無法避免的，這與此序列成像原理有關，在EPI序列中，回波鏈中使用了正負兩種頻率編碼梯度采集數據[6]，頻率編碼梯度高速切換，但受到梯度線圈性能限制，無法避免渦流和剩磁的影響，使得理論梯度磁場與實際作用的梯度磁場存在差異，最終導致K空間內的奇偶行數據產生偏差，還原圖像中便出現的偽影。原始K空間奇偶回波單獨重建圖像數據時，根據二維多項式擬合參考掃描各點相位漂移估計值對圖像進行相位校正，可減輕偽影的影響。但在噪聲較嚴重的情況下，校正后的圖像仍含有較嚴重的殘余偽影[7]。與此同時，電源電壓的波動也會導致梯度磁場的不規(guī)則變化，因此，如果在實際檢測工作中發(fā)現Ghost偽影的參考基線單向遞增或在波動中有明顯的上升趨勢，此時，工程師就應該主動檢查梯度系統和供電系統，防患未然。

4 結語

醫(yī)療設備的應用質量直接影響設備的使用效率和診斷治療效果，是醫(yī)療質量與水平的重要體現[8]。功能磁共振的臨床應用和科學研究已經得到廣泛的認同，為了保障其成像結果的可靠性，我們就需要普及磁共振設備[9]的質量控制工作。國內相關的工作開展的遠不及國外，我國急需建立起一個完整的且易于操作的功能磁共振質量控制檢測規(guī)范，強制進行周期性檢測，為每臺設備建立起個性化的性能參考基線。當檢測結果與參考基線發(fā)生較大偏差時，提示工程師做相應的檢查排查工作，便于提早發(fā)現問題并及時對機器進行調整，保證MR設備工作的安全性和結果的可靠性。

[1] 胡熙寧．MRI快速成像技術原理及發(fā)展趨勢[J]．醫(yī)療裝備, 2001,14(12):12-13．

[2] 嚴漢民．醫(yī)學影像設備的質量保證與質量控制[J]．中國醫(yī)療設備,2008,28(10):138-140．

[3] 唐鶴菡,幸浩洋,李飛,等．腦功能磁共振成像的質量控制標準[J]．WEST CHINA MEDICAL JOURNAL,2008,23(4):680-681．

[4] 康立麗,余曉鍔,洪德明．40臺磁共振成像設備狀態(tài)檢測結果分析[J]．中華放射學雜志,2000,34 (1):13-16．

[5] 王凱,張偉偉,唐一源．磁共振腦功能成像—信號噪聲及分析處理研究[J]．國際生物醫(yī)學工程雜志,2006,29(5):277-279．

[6] 朱禮濤,吳慧,朱朝喆．基于EPI方法的功能磁共振成像質量問題實例分析:主要成因與應對方案[J]．磁共振成像,2012,3(2): 144-148．

[7] 陳春曉,羅立民,陶華,等．MR圖像Ghost偽影的校正[J]．中國生物醫(yī)學工程學報,2005,24(3):350-351．

[8] 紀春雷．探索大型醫(yī)療設備質量控制新模式[J]．中國醫(yī)院院長, 2008,(22):68-69．

[9] 馮慶宇．核磁共振成像裝置(MRI)質量控制與實施保證[J]．中國醫(yī)療設備,2011,26(1):151-152．

study on Establishment Method of Performance Baseline of Brain Functional Magnetic Resonance Equipment

SHI Gang1, YANG Ming1, NI Ping2
1.Medical Engineering Department, The 5thHospital of PLA, Yinchuan The Ningxia Hui Autonomous Region 750004, China; 2.Medical Engineering Department, Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Command, Fuzhou Fujian 350000, China

ObjectiveTo design a quality detect method for brain functional magnetic resonance equipment and establish the personalized reference performance baseline to monitor the real-time performance of the equipment.MethodsAccording to the ACR detect standard drawn up by American College of Radiology, designing the quality detect method by using the standard ACR MRI phantom and frequently-used functional imaging series to test the equipment periodically, and than collecting and processing the data to draw the performance baseline for each piece of the equipment.ResultsThe performance baseline can monitor the real-time performance of the imaging system accurately and sometimes can predict some problems of the equipment.ConclusionThe detect method is simple and can be finished in a short time, and the performance reference baseline can monitor the real-time performance of the equipment scientifically and accurately.

brain functional magnetic resonance; quality control; performance reference baseline; signal stability; image distortion; ghost artifact

R445.2

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.08.009

1674-1633(2013)08-0026-04

2012-12-20

2013-07-12

作者郵箱：785277936@qq．com