磁共振成像系統(tǒng)質(zhì)量控制檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)及其評(píng)價(jià)指標(biāo)*

梁永剛 付麗媛 陳自謙* 鐘 群 肖 慧 許尚文 陳 堅(jiān)

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(jí)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(xiǎn)，必須對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量控制與質(zhì)量管理，即對(duì)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(guò)介紹MRI設(shè)備質(zhì)量控制檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，探討質(zhì)量控制檢測(cè)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)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(gòu)、安裝、調(diào)試及運(yùn)行的整個(gè)過(guò)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(xiàng)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(cè)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)

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)會(huì)(American College of Radiology，ACR)和美國(guó)醫(yī)學(xué)物理師協(xié)會(huì)(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)提出的質(zhì)量控制檢測(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)[9]。AAPM也規(guī)定了MRI設(shè)備質(zhì)量控制檢測(cè)規(guī)范，主要參考ACR標(biāo)準(zhǔn)制定，以及美國(guó)電氣制造業(yè)協(xié)會(huì)(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)標(biāo)準(zhǔn)等[11-13]。

國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)包括國(guó)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(cè)與評(píng)價(jià)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(cè)定”[15]；國(guó)家計(jì)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(cè)規(guī)范”；以及國(guó)內(nèi)其他省市制定的關(guān)于磁共振檢測(cè)規(guī)范等的中華人民共和國(guó)地方計(jì)量技術(shù)規(guī)范[16-19]。

3 MRI設(shè)備質(zhì)量控制檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)

由于MRI系統(tǒng)構(gòu)成十分復(fù)雜，對(duì)整個(gè)MRI系統(tǒng)進(jìn)行全面測(cè)試十分困難，故用戶(hù)僅進(jìn)行常規(guī)參數(shù)測(cè)試。MRI系統(tǒng)日常質(zhì)量控制檢測(cè)項(xiàng)目主要包括中心頻率、磁場(chǎng)均勻性、信噪比(signal to noise ratio，SNR)、圖像的均勻性、空間線(xiàn)性、空間分辨力、低對(duì)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(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，測(cè)量中心頻率隨時(shí)間的變化可用于監(jiān)測(cè)主磁場(chǎng)強(qiáng)度穩(wěn)定性[20]。理論上，磁場(chǎng)中的氫質(zhì)子均是以相同的頻率進(jìn)動(dòng)，其計(jì)算為公式1：

式中ω為進(jìn)動(dòng)頻率，γ為旋磁比，氫質(zhì)子的γ約為

42 .57 MHz/T，B為主磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)。

公式(1)顯示，該進(jìn)動(dòng)頻率與主磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)成正比[21]。中心頻率檢測(cè)整個(gè)過(guò)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(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，驗(yàn)收測(cè)試時(shí)記錄的中心頻率可作為將來(lái)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(gè)月內(nèi)可能會(huì)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(cè)指標(biāo)的處置界限[22]。

3.2 磁場(chǎng)均勻性

主磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度的百萬(wàn)分之幾數(shù)值(ppm)作為磁場(chǎng)強(qiáng)度偏離的單位，越小代表磁場(chǎng)的均勻度越好。主磁場(chǎng)的均勻度測(cè)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(cè)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(jiǎn)單易行，可快速評(píng)估主磁場(chǎng)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(duì)任意平面進(jìn)行評(píng)估，精度不高，同時(shí)對(duì)0.5 T以下的MRI系統(tǒng)的主磁場(chǎng)均勻性無(wú)法評(píng)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(lái)計(jì)算磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，在相位差圖像的每一個(gè)像素上，計(jì)算得到磁場(chǎng)不均勻值。頻寬差值法用于不能提供相位圖和頻率曲線(xiàn)的MRI設(shè)備主磁場(chǎng)均勻度的檢測(cè)，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(cè)量和計(jì)算復(fù)雜，且易受人為測(cè)量過(guò)程中視覺(jué)誤差而引起測(cè)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(shí)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(gè)像素上，計(jì)算得到磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度變化，去除了引起相位變化的非磁場(chǎng)強(qiáng)度因素。

3.3 信噪比

信噪比是評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量的一個(gè)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(shí)間、重復(fù)時(shí)間、激發(fā)次數(shù)等[4]。

ACR標(biāo)準(zhǔn)信噪比測(cè)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(hào)平均值，在體模周?chē)尘皡^(qū)域頻率編碼方向選取一個(gè)盡可能大的ROI作為背景信號(hào)和噪聲的統(tǒng)計(jì)值，圖像的SNR計(jì)算為公式2：

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

AAPM推薦信噪比計(jì)算為公式3：

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

AAPM信噪比計(jì)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(huì)對(duì)圖像噪聲估計(jì)過(guò)大；ACR信噪比計(jì)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(duì)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(duì)物體的再現(xiàn)能力[25]。圖像均勻度是比較不同區(qū)域信號(hào)強(qiáng)度測(cè)量值的差異，均勻度計(jì)算為公式4：

式中Smax為所測(cè)區(qū)域中信號(hào)最大值，Smin為所測(cè)區(qū)域中信號(hào)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(lái)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(lái)越好，基本都可以達(dá)到國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.5 線(xiàn)性度

線(xiàn)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(xiàn)性度不佳。影響幾何變形的主要因素包括梯度磁場(chǎng)非線(xiàn)性和主磁場(chǎng)不均勻性，越偏離等中心點(diǎn)處主磁場(chǎng)越不均勻，特別是先進(jìn)的短磁體大孔徑設(shè)計(jì)也會(huì)在線(xiàn)圈邊緣產(chǎn)生非線(xiàn)性梯度磁場(chǎng)[20]。線(xiàn)性度的測(cè)量一般從3個(gè)方向測(cè)量，即X軸、Y軸和Z軸，利用測(cè)距功能在軸位圖像，分別在縱向與橫向通過(guò)體模中心測(cè)量圓形體模成像區(qū)的直徑可得到圖像沿X軸和Y軸的尺寸，在體模矢狀位定位像測(cè)量矢狀位圖像兩邊的長(zhǎng)度可得到圖像沿Z軸的尺寸，其線(xiàn)性度計(jì)算為公式5：

式中D0為實(shí)際尺寸，D為測(cè)量尺寸，測(cè)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(xiàn)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(duì)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(cè)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(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 mm、1.0 mm和0.9 mm，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(如圖2所示)。

圖2 ACR模體空間分辨力測(cè)量示圖

(2)空間分辨率還可采用線(xiàn)對(duì)卡方法進(jìn)行測(cè)量，觀察圖像中可分辨目標(biāo)物的線(xiàn)對(duì)數(shù)(每厘米線(xiàn)對(duì)數(shù)，1 p/cm)，利用線(xiàn)對(duì)卡測(cè)量較為直觀，質(zhì)控人員可根據(jù)需要選擇適用測(cè)量方法(如圖3所示)。空間分辨率高則容易檢測(cè)出微小的物體，在診斷時(shí)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(cè)中，需要重點(diǎn)對(duì)此指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

圖3 采用線(xiàn)對(duì)卡方法進(jìn)行空間分辨率測(cè)量示圖

3.7 低對(duì)比度分辨率

低對(duì)比度分辨率的大小反映MRI設(shè)備分辨信號(hào)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(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%。3.0T的MRI設(shè)備，一般要求可識(shí)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(duì)比度分辨率測(cè)量可分辨輪輻數(shù)示圖

采用美國(guó)模體實(shí)驗(yàn)室的Magphan SMR 170性能測(cè)試體模，測(cè)試低對(duì)比度分辨率是用視覺(jué)確定能分辨清楚的深度最小和直徑最小的圓孔的像。低對(duì)比度分辨率是重要的質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)，對(duì)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(shí)間比較接近，成像設(shè)備靈敏高則會(huì)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(cè)試體模測(cè)試低對(duì)比度分辨率圖像

3.8 層厚

層厚是MRI系統(tǒng)的一個(gè)重要參數(shù)，其定義為成像層面靈敏度剖面線(xiàn)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(duì)應(yīng)的是一定范圍的頻率帶寬。ACR標(biāo)準(zhǔn)層厚測(cè)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(cè)量的交叉斜面信號(hào)清晰可見(jiàn)，在2個(gè)斜面分別測(cè)矩形ROI信號(hào)強(qiáng)度，并得到均值，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)量上、下2個(gè)斜坡的長(zhǎng)度L1和L2，計(jì)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(guó)模體實(shí)驗(yàn)室的Magphan SMR 170性能測(cè)試體模檢測(cè)層厚是通過(guò)測(cè)量斜置帶圖像的寬度，即得到FWHM，計(jì)算層厚T(T=FWHM×0.25)，與層厚設(shè)置值比較計(jì)算層厚誤差。標(biāo)稱(chēng)層厚≥5 mm時(shí)，其誤差≤±1.0 mm；2 mm≤標(biāo)稱(chēng)層厚＜5 mm時(shí)，其誤差≤±0.5 mm。層厚的測(cè)算與操作者密切相關(guān)，要想保證層厚測(cè)量準(zhǔn)確，需要有準(zhǔn)確的體模位置擺放，否則會(huì)因體模擺放角度誤差給層厚測(cè)量帶來(lái)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(cè)試參數(shù)，而未來(lái)對(duì)于周期性檢測(cè)中所涉及檢測(cè)指標(biāo)評(píng)估方法的深入研究，能夠幫助臨床工程師合理選用測(cè)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(cè)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(shí)也為后續(xù)本項(xiàng)目組研究的MR動(dòng)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(cè)技術(shù)規(guī)范奠定了基礎(chǔ)，對(duì)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。