MRI成像装置通道数验收鉴定的研究

曹 辉，曹厚德

1 上海申康医院发展中心资产监管部，上海市，200041

2 上海静安区中心医院放射科，上海市，200063

MRI成像装置通道数验收鉴定的研究

【作 者】曹 辉1，曹厚德2

1 上海申康医院发展中心资产监管部，上海市，200041

2 上海静安区中心医院放射科，上海市，200063

该文验证磁共振射频系统实际通道数与厂商标称通道数的符合性及考察其对磁共振成像性能的影响。同时通过检测通道数增加与MRI系统图像噪声水平和对成像重建速度的关系，验证MRI射频系统接收通道数的多少与MRI信噪比、扫描时间等密切相关。

磁共振；射频通道；线圈；模拟接收机

0 引言

当前，磁共振成像技术（Magnetic Resonance Imaging，MRI）已成为医学影像诊断学检查的重要技术。其成像原理、设备结构乃至临床应用均涉及数学、物理、工程技术等多学科的知识[1]，在为数众多的相关领域专家的共同努力下，MRI设备性能不断提高，应用也日益广泛。在MRI成像设备性能提高的诸多途径中，MRI设备射频系统通道数的增加是一个重要技术手段。MRI设备射频系统通道数从8通道、16通道、24通道，目前已发展至48通道及更高。特别是阵列线圈广泛使用后，对于系统通道数的要求日益提高。通道数的多少与信噪比、扫描时间及扫描范围等密切相关。

20世纪90年代初，Roemer[2]利用容积线圈和表面线圈各自的优点，设计出阵列线圈。阵列线圈利用小线圈采集各个区域的信号，相比于大线圈，对于各个局部区域而言，线圈的灵敏度更高。在经过线圈去耦和噪声去相关之后，将各个小线圈采集的信号模值进行加权求和，获得最终的磁共振信号，信噪比显著提高。一般而言，覆盖同样面积区域的线圈通道数越多，信噪比越高。

MRI设备成像速度慢一直是这项技术的最大瓶颈。以往，科学家在静磁场的场强、梯度场的场强与切换率、以及快速成像序列这三个方面着手提高成像速度，但出于对人体安全考虑，MRI设备硬件提升受到诸多限制。多通道采集技术和并行成像技术使得采集时间可以大大缩短，多通道并行成像技术利用阵列线圈单个通道的空间敏感度差异来编码空间信息，使得原来利用梯度来编码空间位置的步数大大减少，甚至可以替代所有的相位编码[3]。当然敏感度编码和梯度编码相结合是现在并行成像的主流，主要的方法有基于K空间的SMaSH方法[4]和基于图像域的SeNSe[5]方法。一般而言，通道数越多，能够减少的梯度编码步数就越多，扫描时间也就越少。

因此，射频接收通道数的多少与MRI系统的性能密切相关。因此，MRI系统通道数的检测成为MRI设备验收的重要环节。

1 MRI系统射频接收链路与通道数的关系

射频接收链路是MRI系统中极为重要的组成部分，关乎磁共振成像的信噪比的高低，也是多通道的具体体现。从人体被激发出MRI信号开始，到最终形成图像，需要经过多级链路。

人体产生的MRI信号是射频信号，频率与所处的磁场强度相关。射频信号首先被多通道线圈的各个通道接收到，因为变化的磁场在调谐的线圈中感生出电压[6]。感生出的射频信号幅值极其微小，在传输过程中很容易受到外来干扰以及长线缆的衰减。因此在将其传输出扫描间之前，需要通过低噪声前置放大器放大。放大后的各个通道的射频信号，经过接收通道选择单元，分配给不同的长线缆，传输出扫描间。

多路射频信号被同时引入到设备间模拟接收机的各个通道上，模拟接收机中的aDc单元再将射频模拟信号转换为数字信号。处理得到的数字信号再经过高速光纤传递给数字接收机，经过数字接收机对数字信息进行处理之后，就得到各个通道的磁共振原始数据，存储到图像重建计算机中。图像重建计算机将会利用这多个通道的数据，利用重建算法及相关处理，得到最终的磁共振图像。

图1 典型的磁共振系统射频接收链路示意图Fig.1 Typical magnetic resonance system RF receiving link diagram

上述链路中，从多通道接收线圈到最终产生MRI图像，想查验系统能够达到的最大通道数，有许多方法可以实现。受MRI生产厂商开放权限限制，许多可检测设备通道数的方法受限，现有条件下，可从两方面校验通道数：一是通过分通道存储图像来查看实际使用的通道数；二是查看位于设备间电子机柜中的模拟接收机，因为机柜一般允许查看。而将两种方法结合，则查验MRI通道数更为有效。

此外，MRI通道数的多少，并不仅仅体现数字的多少，背后往往代表着对MRI系统整体软硬件提升提出更高的要求。如对于多通道成像MRI系统，各通道的噪声水平及应用多通道重建图像的速度也是值得测试的指标。

2 MRI通道数的检测

2.1 通过分通道成像检测通道数

通过图像的方式来验收通道数是一种简单直观的方式，使用的是MRI系统本身能够提供分通道存储功能。实验采用上海联影医疗科技有限公司的型号为uMR 560的1.5 T超导磁共振系统，配置为24独立射频接收通道。检测步骤如下：

(1) 采用两个已知6通道的体线圈（Body array coil，Bac）与24通道的脊柱线圈（Spine array coil，SPc）的前12个通道，与能产生MRI信号的水模组合，制成可独立接收24个射频信号的测试装置，结构见图2。

图2 24通道测试装置Fig.2 24 channels testing device

(2) 将测试装置摆放于扫描床，使用激光灯定位到水模中心，送入磁场，在软件界面上选择分通道存储功能，见图3。

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图3 通道独立存储选择界面Fig.3 channel independent storage selection interface

(3) 在界面上选择两个体线圈及脊柱线圈的前四段作为射频信号接收部分，这里一个单元包含三个通道，选择3×8共24个通道，见图4。进行序列扫描，并将结果在视窗中展现出来，见图5。

查看24个通道，在同一窗宽窗位下，如果信号的亮度水平没有太大变化，那么可以认为标称的通道数是正确的。同时，由于各个线圈接收单元的空间位置差异，可以看到在分通道存储的水模图像上看到亮度和SNR的变化。

作为对比，图6是某德国厂商生产的MRI系统的16通道的独立通道存储的图像。

图4 线圈单元选择界面Fig.4 coil unit selection interface

图5 通道独立存储的磁共振图像Fig.5 Magnetic resonance imaging of channel storage

图6 某德国厂商的16通道独立存储的磁共振图像Fig.6 a German manufacturer of 16 channel independent storage magnetic resonance imaging

2.2 通过模拟接收机验收通道数

根据前文的描述，模拟接收机是将多个通道的模拟信号转换为数字信号的器件，如果要保证同时采集多个通道的数据，那么模拟接收机的最大通道数和系统标称的最大通道数是相等的。因此可以简单地打开电子机柜的门，查看模拟接收机的通道数，见图7。

图7 模拟接收机的通道数Fig.7 Simulation of the receiver channel number

从图7可见，模拟接收机共有三块，每块8个通道，共有24个接收通道，与厂家标称的24接收通道相符。

实际检测时，可将上述两种方法结合，将模拟接收机的信号线，随意拔掉几根，进行通道独立存储扫描。分通道查看受影响的通道数与拔掉信号线的个数是否相等，进一步确认这些接收通道是真正被使用到的。如图8，拔掉3根信号线后，系统扫描共显示24幅图，其中有3个通道没有采集到信号，与被拔掉的通道数相符。

图8 拔掉三根信号线后通道独立存储的磁共振图像Fig.8 Unplug after three root signal channel independent storage magnetic resonance imaging

通常，如设备系统稳定，拔除模拟信号输入电缆不会导致设备故障，此法也常用于排查系统故障。

图9 某德国厂商机器拔掉两根信号线后通道独立存储的MRI图像Fig.9 a German manufacturer machine unplug after two signal channels independent storage of MRI images

作为对比，图9是在某德国厂商生产的MRI系统的模拟接收机上拔掉两根信号线，所得的16独立通道存储图。

2.3 通过噪声水平检测通道数

如前文所说，通道数的增加不仅仅体现在数字上。通道数增加的同时，保证这些通道的噪声水平一致，是保证MRI图像清晰的重要条件之一。通道噪声水平的大小会受接收线圈本身影响，不同线圈的噪声水平会有不同。检测时，可请厂商工程师协助，确定不同线圈对应模拟接收机的通道，如果没有覆盖所有通道的线圈，则可采用通道数较多的线圈，分别检测。

目前应用的MRI系统，头颈联合线圈（Head & Neck coil, HNc）和脊柱线圈通道数较多。而且因为存在HNc线圈和脊柱线圈联合使用的情况，故它们使用的模拟接收机通道也不同。可用这两个线圈分别检测通道噪声水平。

以头颈联合线圈为例：该线圈共有16个通道，使用MRI系统中扫描噪声的序列进行扫描（不发射射频脉冲，只采集信号）。检测中，如前同样勾选通道独立存储模式，扫描结束后，查看采集的各通道噪声图像，并使用工具读取感兴趣区域的最大、最小值、均值和标准差（SD）值，比较各个通道之间的差别，查看是否有明显差异，见图10。

图10 通道噪声水平检测Fig.10 channel noise level detection

2.4 通过图像重建速度检测通道数

MRI系统多通道成像的目的之一，是为了减少扫描时间。但随着通道数的增加，系统计算机处理的数据也随之增加，这对于重建计算机以及重建算法都是不小的考验。

检测时，使用3D成像序列检测系统重建速度，选择并行采集，使用一些常规的后处理功能，如图像滤波。再按照用满所有通道数的方式摆放线圈，也可选择使用前文制作的24通道测试装置，或其他线圈组合。先使用标称通道数的一半通道成像，计算3D序列扫描完到所有层面的数据都呈现出来的时间t1。然后使用标称通道数进行成像，按照同样的方法计算图像重建时间t2，如果t2 = 2×t1，说明通道数的增大，并没有影响系统重建速度，如果不是，说明通道数增加后，系统重建性能降低。

此外，还可修改序列参数，如增加层数和层面矩阵大小，观察满通道使用下，是否出现内存耗尽等问题。

3 讨论

本文针对MRI系统通道数的验收和鉴定，从通道数与性能的关系，到常规射频接收链路的构成出发，总结出两种验收通道数的方法。

方法之一为使用标称最大通道数的线圈组合，通过成像软件的通道独立存储的功能，将各个通道采集到的MRI信号，分别重建出MRI图像，然后查看各个通道图像的信号水平，确定使用的通道数与标称相符。

方法之二为直接查看MRI系统设备间电子机柜中模拟接收机的通道数，观察是否与标称的最大通道数相符。还可进一步在前一种方法的基础上，拔掉某些通道线缆，重新进行扫描成像，查看没有信号的通道数是否与拔掉的线缆数相符。

鉴于通道数的增加会对系统带来更大的压力，因此在验收通道数的同时，必须对各通道的噪声水平进行监测、也需要对重建速度等进行测试，以确保通道数的增加没有造成MRI整体性能的下降。

综上，本文描述的验收鉴定方法只针对目前在用大部分的MRI系统。对部分采用特殊技术的MRI系统，如在接收线圈中直接进行模/数转换，数字信号通过光纤传出扫描间的，这种设计仍可采用通道独立存储的方式进行验收鉴定，但通过模拟接收机检测的方法则不再适用。

[1] 俎东林. 核磁共振成像学[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

[2] Roemer PB, edelstein Wa, Hayes ce, et a1.The NMR phased array[J]. Measur Sci Tech, 1990, 16(2): 192-225．

[3] 陈武凡. 并行磁共振成像的回顾、现状及发展前景[J]. 中国生物医学工程学报, 2005, 24(6): 649-654.

[4] Sodickson DK, Manning WJ. Simultaneous acqusition of spatial hamonics (SMaSH):Fast imaging with radiofrequency coil arrays[J]. Magn Reson Med, 1997, 38(4): 591-603.

[5] Pruessmann KP, Weiger M, Scheidegger MB, et al. sensitivity encoding for fast MRI[J]. Magn Reson Med, 1999, 42(5): 952-962.

[6] 石明国. 现代医学影像技术学[M]. 西安: 陕西科学技术出版社，2007.

MRI Imaging Device Channel Number Acceptance Appraisal Research

【 Writers 】CAO Hui1, CAO Houde2
1 Assets Supervision & Administration Department, Shanghai Shenkang Hospital Development Center, Shanghai, 200041
2 Department of Radiology, Jing’an District Center Hospital, Shanghai, 200050

MRI, RF channel, coil, analog receiver

R318.6；TH77

A

10.3969/j.issn.1671-7104.2016.03.017

1671-7104(2016)03-0217-04

2016-04-21

曹辉，e-mail：13311700452@163.com

【 Abstract 】This paper verifes MRI RF system conformity of the actual channel number and the manufacturer's nominal channel number, and inspects the actual channel number’s effect on the properties of magnetic resonance imaging (MRI). At the same time through detecting the increasing channel number’s relationship with MRI detection system image noise level and the image reconstruction speed, to verify the number of MRI RF system receiver is closely related with SNR, MRI scan time and so on.