磁共振成像系統質量控制檢測及處置界限建立*

付麗媛 梁永剛 陳自謙* 鐘 群 肖 慧 許尚文 陳 堅 熊 暉 林迪逵

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)系統作為醫院大型醫學影像設備的主體組成部分，對疾病診斷具有非常重要的意義[1]。為了得到科學、準確及可靠的數據和優質圖像，必須對MRI系統進行定期質量控制檢測，通過質量控制檢測可確保影像設備參數準確，安全良好運行[2]?；诖?，本研究于2016年1月至2017年7月，采用Magphan SMR 170性能測試體模對西門子Skyra 3.0T型MRI進行質量控制檢測，運用檢測技術與測算方法，得到檢測結果并建立處置界限，從而實現對MRI設備的長期監測，為開展MRI系統常規質量控制檢測提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 檢測環境條件

在MRI系統質量控制檢測中，環境溫度為(20±2)℃，相對濕度為50%～60%，大氣壓力為86.0～106.0 kPa，電源電壓為(380±10)V。

1.2 體模及受檢設備

采用Magphan SMR 170體模(美國體模實驗室研制)進行MRI性能測試，可以檢測的主要技術指標有：信噪比(signal noise ratio，SNR)、圖像均勻性、相位編碼偽影、線性度、空間分辨率、低對比度分辨率以及層厚等[3]。受檢設備為Siemens Skyra 3.0 T型MRI(德國Siemens公司)，2015年5月投入使用。

1.3 檢測方法

1.3.1 體模定位

將體模水平穩定置于掃描床上已裝好的頭部線圈內，使用水平儀檢查水平后，定位燈對準體模中心，然后將體模送入磁體等中心位置，靜置5 min后開始進行掃描信息登記及掃描(如圖1所示)。

圖1 水平儀檢查體模擺放水平示意圖

1.3.2 掃描參數

采用自旋回波序列掃描，其掃描參數為：重復時間(repetition time，TR)=500 ms，回波時間(echo time，TE)=30 ms，矩陣=256×256，層厚=5 mm，掃描視野(field of view，FOV)=24 cm×24 cm，接收帶寬(band width，BW)=20.48 kHz，或156 Hz/pixel，采集次數為1次，不使用并行采集技術及失真校正、強度校正等內部校準技術。

1.3.3 掃描方法

先進行定位像掃描，定位像掃描完畢后將圖像拖到查看圖像框，從左至右分別為冠狀位、矢狀位和軸位定位像，然后在此三平面定位像上對自旋回波序列進行軸位掃描層面定位，由上到下依次為1～5層(如圖2所示)，所得到的圖像由上到下分別如圖3所示。

圖2 軸位掃描層面定位示意圖

圖3 掃描所獲體模軸位圖像

1.4 測算方法

1.4.1 SNR測算

(1)在第2層圖像的正方形中心選取9個面積接近且≤2 cm2的小圓形感興趣區域(region of interest，ROI)，選取位于正方形中心的5號ROI(如圖4所示)。

圖4 SNR的檢測示意圖

(2)記錄中央區域信號強度(S)，中央區域信號標準偏差(SD)。在整個體模外的4個角畫4個小圓形ROI，其面積接近且≤2 cm2，為周圍環境區域測量的信號強度，其SNR計算為公式1：

式中S為圖像中央區域5號ROI測量的信號強度，S′為周圍環境區域測量的信號強度，SD為中央區域5號ROI的信號標準偏差。

1.4.2 圖像均勻度

在第2層圖像正方形中心選取9個面積接近且≤2 cm2的小圓形ROI，測量各區域的像素平均值，其圖像均勻度(U∑)計算為公式2：

式中U∑為均勻度，Smax為所測區域中信號最大值，Smin為所測區域中信號最小值，其值越大，表明圖像均勻度越好。

1.4.3 相位編碼偽影

在第2層圖像正方形中心選取9個面積接近且≤2 cm2的小圓形ROI，測量最邊緣區域(即ROI 2、4、6、8)的像素平均值，記為p；再用相同的ROI測量圖像4個角上(即ROI 1、3、7、9)的平均值，記為Q；用圖像尺寸的75%的矩形ROI測量中心區域的像素平均值，記為R，其相位編碼偽影(W)的計算為公式3：

1.4.4 空間線性度

在第3層和第4層圖像，測量空間分辨率圖像中的小孔間的間距(第3層是交叉方向，第4層是橫縱方向)，并與實際的距離比較，其計算為公式4：

式中LR為實際距離，LM為測量距離。

1.4.5 空間分辨率

在第4層圖像中測量空間分辨率，將窗寬調到最小，調節窗位使細節顯示最清楚，用視覺確定圖像中能分辨清楚的最大線對數，即為空間分辨率(如圖5所示)。

圖5 空間分辨率檢測示意圖

1.4.6 低對比度分辨率

在第5層圖像中同時調整窗寬和窗位，使細節顯示最清晰，用視覺確定能分辨清楚的深度最小和直徑最小圓孔的像，即為低對比度分辨率，其中有4組圓孔，孔深分別為0.5 mm、0.75 mm、1.0 mm及2.0 mm，每組有3個相同深度的孔，其直徑分別為4 mm、6 mm及10 mm(如圖6所示)。

圖6 低對比度分辨率檢測模塊示意圖

1.4.7 層厚

在第2層圖像中，斜置帶圖像附近選擇一個ROI，其像素值是L1；調小窗寬，調高窗位，直到斜置像消失，這時的窗位值就是斜置帶圖像的最大值L2；將窗位值調到(L1+L2)÷2，測量斜置帶圖像的寬度，即得到半高寬度(full width at half-maximum，FWHM)。計算層厚T=FWHM×0.25，與層厚設置值比較計算層厚誤差。

1.4.8 中心頻率

在體模掃描階段，MR系統通常會自動確定中心頻率，通過查看掃描參數頁得到中心頻率并記錄。

1.5 建立處置界限

在MR設備運行狀態良好的情況下進行多次連續的質量控制檢測，建立運行基線，并根據國內外質量控制檢測標準建立處置界限。

處置界限：信噪比應≥100；圖像均勻性應≥80%；相位編碼偽影應≤10%；空間線性度應≤5%；空間分辨率應≥5 LP/cm；低對比度分辨率應為可分辨直徑4 mm、孔深0.5 mm的圓孔；層厚偏差應在±1 mm以內；中心頻率周變化≤246 Hz。

2 結果

采用SMR170體模對Siemens Skyra 3.0T型MRI進行了6次質量控制檢測，所得檢測結果見表1。圖像信噪比均值為(156.20±24.46)，處置界限≥100；圖像均勻性均＞85%，處置界限≥80%；相位編碼偽影均≤10%，處置界限≤10%；空間線性度均≤5%，處置界限≤5%；空間分辨率檢測結果均為5 LP/cm，處置界限≥5 LP/cm；低對比度分辨率均為可分辨直徑4 mm、孔深0.5 mm的圓孔，處置界限為可分辨直差，就需要及時檢測，發現問題并解決問題。本研究中該設備信噪比基線較穩定，未發現有大幅降低的情況，達到標準要求。

表1 Siemens Skyra 3.0 T 磁共振成像系統質量控制檢測結果

(2)圖像均勻度。描述了MRI系統對體模內同一物質區域的再現能力，是指磁共振所成圖像的均勻程度。影響圖像均勻度的因素主要有主磁場均勻度、射頻場均勻度及偽影等。定期對設備進行保養，清除線圈及孔徑內的對比劑及金屬異物對于提高圖像均勻度有重要意義。本研究中圖像均勻度均在85%以上，達到標準要求。

(3)相位編碼偽影。在質量控制檢測中也十分重要，除化學位移偽影外，多數偽影出現在相位編碼方向上。此外，相位編碼方向不斷累計的相位差也會產生偽影[2，18]。

(4)空間線性度。反映MRI圖像的變形程度，影響線性度的主要因素包括梯度磁場非線性和主磁場不均勻性，當產生非線性梯度磁場或者主磁場均勻度較差時會出現線性失真。

(5)空間分辨率。MRI圖像對解剖細節的顯示能力，采用線對卡方法是比較直觀的測量方法，其觀察圖像中可分辨目標物的線對數(每厘米線對數，LP/cm)[19]。根據規程要求，空間分辨率要≥4 LP/cm。

(6)低對比度分辨率。反映MRI設備的靈敏程度，即MR分辨信號比較接近的病變組織與正常組織的差異的能力。低對比度分辨率的檢測主要通過目視確定能分辨清楚的深度最小和直徑最小的圓孔的像，本研究經過檢測其達到標準要求。

(7)層厚。表示一定厚度的掃描層面，對應一定范圍的頻率帶寬，其定義是成像層面靈敏度剖面線的FWHM。層厚受梯度場的性能、射頻場性能及選層脈沖等多種因素影響，這些因素都會導致機器層厚的選擇出現誤差[2]。若在質量控制檢測中發現層厚誤差超出范圍，則需聯系廠商工程師協助處理，以免因層厚徑4 mm、孔深0.5 mm的圓孔；層厚偏差均在1 mm以內，處置界限為(5±1)mm以內；中心頻率均值為(123243296.3±147.83)Hz，處置界限為周變化≤246 Hz；根據國內外相關檢測標準要求[4-7]本系統質量控制檢測結果均在處置界限范圍內，設備運行良好。

3 討論

國外較早開展了MRI設備質量控制檢測并制定了一系列檢測標準，如美國醫學物理學家協會(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)、美國放射學會(The American College of Radiology，ACR)及美國國家電氣制造商協會(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)標準等[4，8-10]。在美國由頂尖學者組成的著名AAPM學會，對許多大型高端醫療設備幾乎每日一檢。

國內MRI設備質量控制檢測雖然起步較晚，但已經在質量控制檢測方面提供了積極支持，如制定檢測規程開展設備檢測等，對于推動MRI設備質量控制檢測起到了非常積極的作用[11-13]。

MRI設備屬于高風險運行設備，需要時刻關注其運行狀況，除了觀測日常運行環境(如溫度、濕度、空氣清潔度等)，還要密切關注強磁場安全、超導的低溫系統安全、射頻能量相關的安全、患者及工作人員的安全等，并定期進行質量控制檢測，從源頭降低設備運行風險，及時發現設備運行過程中因人為因素造成的問題(如孔徑中鐵磁性金屬造成主磁場均勻度變差、圖像均勻度降低等問題)，并解決問題，確保檢查數據準確可靠和設備安全良好運行[14]。

3.1 質量控制檢測項目

MRI設備日常質量控制檢測項目主要包括信噪比、圖像的均勻性、相位編碼偽影、空間線性、空間分辨力、低對比度分辨率、層厚和中心頻率等[15-17]。

(1)信噪比。MRI最基本的質量參數，其高低決定了圖像質量的優劣。若圖像信噪比低致使圖像質量很誤差導致漏診。

(8)中心頻率。測量中心頻率的變化可用于監測主磁場強度穩定性，不穩的磁場強度將影響信噪比、快速成像序列等。中心頻率檢測整個過程僅需要數分鐘便可完成，本研究中心頻率的變化均在處置范圍內。

3.2 處置界限的建立

自MRI設備購買安裝并投入使用前有一個關鍵環節：即驗收測試。一套完善的驗收測試不僅能夠保證MRI質量符合生產商提供的技術指標，確保機器的正確安裝和有效使用，而且能建立系統性能的初始基線[2]。在設備投入使用后良好運行的時間內，通過連續多次測量，建立起設備運行基線，然后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。設備運行狀態良好的情況下，質量控制檢測指標均圍繞建立的基線波動，如果出現偏離基線較多的情況，就需要對設備的軟硬件進行校正。連續檢測的時間跨度對處置界限建立有影響[20-21]。本研究歷時1～6個月，時間跨度較大，因此得到的處置界限也比較寬。

需要注意的是在測量時也要對測量過程進行質量控制。①設備所處的環境，所測結果必須在一個固定的環境下進行；②體模貯存及搬運過程中會出現氣泡附著在內部檢測部件上。因此，在掃描前要盡量去除氣泡，使其不影響各成像檢測層面才能進行檢測[22]；③對體模的擺位要標準，以確保圖像左右對稱。

4 結語

采用Magphan SMR 170體模對MRI的關鍵質量控制參數進行了性能檢測，建立了處置界限，有效保障了設備安全運行和參數科學準確，同時也為后續本項目研究的MRI動態心臟體模及其建立MRI心血管功能成像軟件質量控制檢測技術規范奠定了基礎。