磁共振成像系統質量控制檢測標準及其評價指標*

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)系統是醫學影像診斷不可或缺的檢查技術之一，其不但可以提供形態學結構信息，又可以提供生物化學及灌注等功能信息，其高級應用可為臨床提供更精準的診斷，從而達到精準治療的目的[1-3]。

為了得到科學準確及可靠的數據和優質的圖像，降低設備運行風險，必須對成像系統進行質量控制與質量管理，即對設備的質量控制和質量保證提出要求[4-5]。為此，通過介紹MRI設備質量控制檢測標準和技術指標評價體系，探討質量控制檢測技術、標準和評價指標，從而促進MRI設備質量控制工作步入標準化、規范化、科學化和程序化軌道[6]。

1 MRI設備質量控制與質量管理的概念

MRI設備質量控制與質量管理是指在設備的選購、安裝、調試及運行的整個過程中嚴格按照要求進行規范化作業，使設備各項指標和參數符合規定標準的技術要求，使其處于安全、準確及有效的工作狀態，最優化地發揮設備的各種性能，為診斷疾病提供優質圖像而采取的一系列系統措施[4，7-8]。持續及規范的MRI設備質量控制與質量管理，能夠保證設備正常高效運行，進而確保其能為診斷及科學研究提供優質的圖像和高質量準確的數據。

2 MRI設備質量控制檢測規范與標準

目前，國際上比較通用的MRI檢測規范是由美國放射學會(American College of Radiology，ACR)和美國醫學物理師協會(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)提出的質量控制檢測的系列標準。美國醫用MRI設備大都采用ACR標準定期進行質量控制檢測[9]。AAPM也規定了MRI設備質量控制檢測規范，主要參考ACR標準制定，以及美國電氣制造業協會(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)標準等[11-13]。

國內標準包括國家衛生行業標準(WS/T263-2006)“醫用磁共振成像(MRI)設備影像質量檢測與評價規范”[14]；醫藥行業標準(YY/T 0482-2010)“醫用成像磁共振設備主要圖像質量參數的測定”[15]；國家計量技術規范[JJF(京)30-2002]“醫用磁共振成像系統(MRI)檢測規范”；以及國內其他省市制定的關于磁共振檢測規范等的中華人民共和國地方計量技術規范[16-19]。

3 MRI設備質量控制檢測評價指標

由于MRI系統構成十分復雜，對整個MRI系統進行全面測試十分困難，故用戶僅進行常規參數測試。MRI系統日常質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，與主磁場強度成正比，如果中心頻率發生變化，則意味著相應的主磁場發生了變化。因此，測量中心頻率隨時間的變化可用于監測主磁場強度穩定性[20]。理論上，磁場中的氫質子均是以相同的頻率進動，其計算為公式1：

式中ω為進動頻率，γ為旋磁比，氫質子的γ約為

42 .57 MHz/T，B為主磁場場強。

公式(1)顯示，該進動頻率與主磁場的場強成正比[21]。中心頻率檢測整個過程僅需要數分鐘便可完成，采用自旋回波序列掃描ACR模體，預掃描階段MRI系統通常會自動確定中心頻率，這些信息一般不在圖像上標明，但經常包含于掃描參數頁中，通過查看掃描參數頁得到中心頻率并記錄，驗收測試時記錄的中心頻率可作為將來質量控制的基準。根據ACR標準，超導磁體在安裝后的1～2個月內可能會出現較大的中心頻率漂移(1 ppm/d)，穩定后中心頻率漂移每日應＜0.25 ppm，也可根據設備的運行情況，由物理師決定質量控制檢測指標的處置界限[22]。

3.2 磁場均勻性

主磁場的均勻度是主磁體最重要的質量標準，通常以主磁場強度的百萬分之幾數值(ppm)作為磁場強度偏離的單位，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。使用磁共振波譜預掃描功能得到中心頻譜，測量半高全寬值(full width at half maximum，FWHM)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，適用于可以進行波譜序列掃描的設備，其缺點在于該方法不能對任意平面進行評估，精度不高，同時對0.5 T以下的MRI系統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設備主磁場均勻度的檢測，該方法應用廣泛，可用于所有的MRI系統，其缺點在于測量和計算復雜，且易受人為測量過程中視覺誤差而引起測量結果出現偏差[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生的相位圖，相位圖的相位值可以反映磁場強度變化，去除了引起相位變化的非磁場強度因素。

3.3 信噪比

信噪比是評價圖像質量的一個重要指標，其受MRI系統諸多因素的影響，如采集序列、層厚、回波時間、重復時間、激發次數等[4]。

ACR標準信噪比測算方法：在ACR體模軸位第七層圖像中央選取75%以上區域的感興趣區域(region of interest，ROI)得到信號平均值，在體模周圍背景區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計值，圖像的SNR計算為公式2：

式中σair為背景區域的信號標準偏差[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區域的信號標準偏差。

AAPM信噪比計算方法中的噪聲包含了隨機性熱噪聲與結構性噪聲雙重影響，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構噪聲的影響，但是忽略了被掃描物體自身產生的隨機噪聲的影響，從而對噪聲產生低估[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，其描述了MRI系統對物體的再現能力[25]。圖像均勻度是比較不同區域信號強度測量值的差異，均勻度計算為公式4：

式中Smax為所測區域中信號最大值，Smin為所測區域中信號最小值。

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軟硬件發展，圖像質量及圖像均勻度也大幅度提升，其圖像均勻度也越來越好，基本都可以達到國內標準要求。

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，偏離真實的物體結構，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，越偏離等中心點處主磁場越不均勻，特別是先進的短磁體大孔徑設計也會在線圈邊緣產生非線性梯度磁場[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，磁共振設備的梯度與射頻技術已經較為成熟，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圖像對解剖細節的顯示能力，其與視野、掃描矩陣和掃描層厚度相關。ACR標準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行測量，觀察圖像中可分辨目標物的線對數(每厘米線對數，1 p/cm)，利用線對卡測量較為直觀，質控人員可根據需要選擇適用測量方法(如圖3所示)?？臻g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，在日常的質量控制檢測中，需要重點對此指標進行監測。

圖3 采用線對卡方法進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設備分辨信號大小相近物體的能力，即MRI設備的靈敏程度。ACR標準是計算所能分辨輪輻的數目總和，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，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設備，一般要求可識別輪輻數達40條，1.5T的MRI設備，一般要求輪輻達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示圖

采用美國模體實驗室的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量評價參數，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系統的一個重要參數，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，對應的是一定范圍的頻率帶寬。ACR標準層厚測量方法是在軸位圖像第一層，放大并調整窗寬窗位，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信號強度，并得到均值，將窗位值設置為所測斜坡正中的平均信號值的一半，調節窗寬，測量上、下2個斜坡的長度L1和L2，計算層厚為公式6：

ACR標準要求層厚5 mm的誤差≤0.7 mm[10]。采用美國模體實驗室的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)，與層厚設置值比較計算層厚誤差。標稱層厚≥5 mm時，其誤差≤±1.0 mm；2 mm≤標稱層厚＜5 mm時，其誤差≤±0.5 mm。層厚的測算與操作者密切相關，要想保證層厚測量準確，需要有準確的體模位置擺放，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系統在日常的臨床使用中所需要進行的基本質量測試參數，而未來對于周期性檢測中所涉及檢測指標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，準確的掌握設備運行狀態。本研究主要基于MR靜態體模及其質量控制檢測標準進行了探討，一方面保障了MR設備的可靠運行，同時也為后續本項目組研究的MR動態心臟體模及其建立MR心血管功能成像軟件質量控制檢測技術規范奠定了基礎，對于提升MR設備質量控制和安全保障能力有重要的意義。