基于Matlab实现MRI信噪比及图像均匀性自动检测系统的研究

孟 奥 赵庆军* 徐 桓 刘振芹 毛 岩

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)是根据生物核磁性在磁场中表现的特征进行成像的新技术[1]。近年来，随着磁体技术等相关技术的不断发展进步，MRI技术得到了飞速发展，以对软组织灵敏度高、定位准确、无放射性及对人体无任何损伤等优点[2]在临床医学中得到广泛应用，成为现代医学影像领域中重要的一员。因此，磁共振图像质量直接关系到疾病的诊治[3-4]。本研究基于Matlab平台进行编写，而Matlab是美国MathWorks公司出品的用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级计算机语言和交互环境的数学软件，实现了将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性系统的建模和仿真等诸多强大功能集成于一个易于使用的视窗环境中。

信噪比(signal noise ratio，SNR)是指信号强度与噪声强度的比值，是衡量图像质量的重要指标，而图像均匀性(image uniformity)则指MRI在扫描区内对MRI特性均匀的物质产生恒定信号响应的能力，描述了MRI系统对体模内同一物质区域的再现能力[5-6]。

1 设备与检测方法

1.1 受检设备

美国GE设备4台，德国西门子设备2台。受检设备信息见表1。

表1 受检设备信息

1.2 测试体模

采用美国体模实验室Magphan SMR 170性能体模空间分辨率模块。

1.3 扫描条件

在无特别要求时，采用饱和恢复自旋回波(spin echo，SE)成像脉冲序列，重复时间(repetition time，TR)为500 ms，回波时间(echo time，TE)为30 ms，矩阵为256×256，单层扫描层厚为10 mm[7]。

1.4 指标参考标准

依据国家卫生行业标准WS/T263-2006“医用磁共振成像(MRI)设备影像质量检测与评价规范”[8]。

2 手动测量方法

2.1 信噪比手动测量方法

国家卫生部行业标准采用了美国医学物理学家协会(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)单幅图像法，并制定参考标准。扫描体模均匀性层面并获取图像，用选定好的感兴趣区域(region of interest，ROI)，在图像中央和周围测量信号强度和偏差。像素的信号强度由灰度值体现，因此信号强度等同于灰度平均值[9-10]。其图像SNR计算为公式1：

式中SNR为信噪比；S为图像中心区域的信号强度；S’为周围环境区域的信号强度；SD为中央区域的信号标准差；信噪比的国家标准：主磁场B0≤0.5 T时，SNR≥50；0.5 T＜B0＜1.0 T时，SNR≥80；B0≥1.0 T时，SNR≥100。

2.2 图像均匀性手动测量方法

扫描体模均匀性层面并获取图像。在正方形区域选择9个ROI，分析比较各点的灰度值[11]。其图像均匀性计算为公式2：

式中U为图像均匀性；Smax为所测区域中信号最大值；Smin为所测区域中信号最小值；图像均匀度的国家标准为：均匀度U≥75%。

2.3 手动测量的缺点

(1)ROI位置和大小的不同会导致信噪比及图像均匀性的不同。

(2)ROI位置不能达到精确和一致。

(3)随意性和主观干预较多。

3 自动检测系统的应用

3.1 自动检测流程

自动检测系统的算法流程具体步骤为：①确定扫描图像内部是否有明显的伪影，如有则需要舍弃图像，重新获取扫描图像；②采用Matlab编写迭代法计算合适的阈值，实现对扫描图像二值化；③对二值化图像执行形态闭、腐蚀等操作得到圆形区域边缘，对边缘进行细化，计算出圆心坐标；④根据圆心坐标确定ROI的位置，计算其均值和方差；⑤根据信噪比及图像均匀性的公式计算得出结果，并与手动测量方法进行相关性分析；⑥将计算得到的结果显示在自动测量系统(如图1所示)。

图1 自动检测系统流程图

3.2 自动检测系统界面

(1)基于Matlab GUI平台构建自动检测系统界面。自动检测系统界面可以显示扫描图像、生产厂家、视野、矩阵等信息(如图2所示)。

图2 自动检测系统扫描图像及界面图

(2)数据处理后界面左侧显示扫描图像、生产厂家、视野、矩阵等信息；界面右侧显示不同ROI的均值、方差及计算后的信噪比和图像均匀性，可在界面中清楚地显示不同ROI的位置和数据[12](如图3所示)。

图3 数据处理后界面图

3.3 实验数据分析

采用pearson系数[13]对信噪比和图像均匀性的手动和自动检测方法进行相关性分析，计算相关系数显示，基于统计学的手动检测方法和自动检测方法具有很强的一致性(r=0.970，r=0.975；P＜0.01)。因此，自动检测方法可用于MRI质量检测中，且数据更加准确稳定，见表2[14]。

表2 手动检测与自动检测相关性分析

4 结论

MRI技术性能评价指标是评价MRI系统的重要环节，是设备有效性的考核标准，也是临床和效果得以实现的前提。MRI信噪比和图像均匀性自动检测系统的研究与实践表明，MRI应用质量控制数字化检测方法具有可行性，可借助信息化手段高效完成MRI应用质量检测，为设备性能的稳定性打下了坚实的基础。该检测方法耗时少、简单实用，减少人为误差，且确保实验结果的准确性和客观性，可极大提高大型医疗设备应用的质量控制检测效率[15]。

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