应用不同体模标准测试MRI图像均匀性的比较研究

张 默 齐志刚 赵 澄 卢 洁* 刘 迪

当前，磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)系统的诊断能力等特点，已被各级医疗机构广泛应用[1]。随着MRI技术的快速发展，各种高场强及超高场强的MRI设备在全国普及应用，成为临床不可或缺的影像检查手段。然而，MRI系统组成复杂，结构精密，而影响MRI仪最终图像质量的因素多种多样，各级医疗机构在设备维护、保养及图像校正方面水平参差不齐，导致最终所得的MRI影像质量存在差异，进而导致影响病情诊断，重则可能导致医疗事故。因此，对MRI设备进行准确的图像质量控制就显得尤为必要。

在对MRI设备进行质量控制检测的过程中，依靠信噪比、伪影、层厚、几何精度、图像均匀度及低对比分辨率等性能参数的检测完成对MRI扫描仪的评价，图像均匀度是其中非常重要的参数之一，是指被成像的物体MRI信号相同时，MRI扫描仪产生常量信号的能力，描述了MRI扫描仪对体模中，包含同一种物质的区域的再现能力[2]。图像均匀度影响因素包括射频场的均匀性、射频线圈的工艺、梯度脉冲的校准度、穿透效应以及涡流效应等[3]。

本研究将使用两种不同的体模和相应的测试标准分别对高场磁共振扫描仪进行图像均匀度的测试，并对测试结果进行分析，评价两种不同体模和其相应测试标准的差异，以期在对MRI图像进行质量控制中选择体模提供参考，提高检测的准确性和科学性。

1 材料与方法

1.1 设备与材料

使用的两种体模分别为Magphan SMR 170型体模(美国the Phantom Laboratory公司)；美国放射学会(American College of Radiology，ACR)MRI体模。检测设备为UMR 770型3.0T超导磁共振扫描仪(上海联影医疗科技有限公司)；UMR 560型1.5T超导磁共振扫描仪(上海联影医疗科技有限公司)；扫描使用正交头部线圈。

1.2 扫描参数

扫描序列采用自旋回波(spin echo，SE)成像脉冲序列，检测参数:重复时间(repetition time，TR)为500 ms；回波时间(echo time，TE)为20 ms；视野(field of view，FOW)为256 mm×256 mm；图像矩阵256×256；激励次数为3.0T扫描仪1次，1.5T扫描仪2次；扫描层厚为5 mm；接收带宽为200 Hz/pixel[4]。环境温度20～22 ℃，相对湿度50%～60%，大气压力86.0～106.0 kPa，电源电压为(380±10)V。

1.3 检测方法

(1)扫描前准备。由于在存放和运输过程中，体模内部会析出少量气泡附着于插片上，在扫描前，应尽可能排除气泡以排除对扫描层面的干扰，减少测量误差。

(2)定位操作。将体模稳定至于头部线圈底座，通过水平尺调整体模至水平。通过激光定位于体模中心，体模长轴与磁体扫描孔平行后，送至磁体中心。因搬运导致的体模内液体流动会影响扫描结果，开始扫描前应静置5 min。

1.4 体模扫描

(1)SMR170型体模的扫描。SMR170型体模扫描层数为4层，层间隔为400%。图像均匀性的测量使用第2层图像，在第二层横断位中的正方形内部作9个面积均约为200 mm2的感兴趣区域(region of interest，ROI)，并对所有ROI信号强度(S)进行登记，选择S最大值(Smax)和S最小值(Smin)，图像均匀度(UΣ)计算为公式1[5]:

式中Smax表示ROI信号强度的最大值，Smin表示ROI信号强度的最小值。SMR170型体模扫描定位见图1，图像均匀性测试见图2。

图1 SMR170体模定位示图

图2 SMR170 体模图像均匀性测试示图

(2)ACR体模的扫描。ACR体模扫描层数为11层，层间隔为100%。扫描可得11层图像，图像均匀性的测量使用第7层横断位图像。在ACR的标准中，均匀度可以采用两种方法检测，分别为调值法和最值法[6]。采用调值法进行测量其步骤为:①显示第7层图像，以体模中心为圆心，绘制面积约为200 cm2的圆形ROI作为测量区域；②调节图像窗宽至0或1，之后调节窗位至图像为高信号所代表的全白；③缓慢升高窗位，至测试区域内出现一定范围的黑色像素区域，即为低信号区域，若测试区域内有多个低信号区域，则以面积较大的范围做为测量目标；④在低信号区域绘制面积约1 cm2的圆形ROI，记录其灰度值的均值作为测量的低信号值，在低信号区域内挪动ROI，共记录5个低信号值；⑤升高窗位，直至白色像素区域趋近消失，绘制面积约1 cm2的圆形ROI，记录其灰度值的均值作为测量的高信号值，在高信号区域内挪动ROI，共记录5个高信号值；⑥将所得最低信号值Smin和Smax带入公式(1)得到图像均匀度[7]。

ACR体模扫描定位见图3，图像均匀性测试见图4。

2 结果

2.1 两种体模对UMR 560型1.5T MR扫描仪测量结果

(1)通过SMR170和ACR两种体模对UMR560型1.5T磁共振扫描仪进行图像均匀度测量，测量数值见表1。

表1 两种体模对UMR 560型1.5T磁共振扫描仪测量图像均匀度(%)

表2 两种体模对UMR 770型3.0T磁共振扫描仪测量图像均匀度(%)

图3 ACR体模定位示图

图4 ACR体模图像均匀度测试示图

(2)将所得信号值分别带入公式(1)计算，使用SMR170和ACR体模对UMR 560型1.5T磁共振扫描仪测量的MRI图像均匀度分别为98.84%和96.68%。

2.2 两种体模对UMR 760型3.0T MR扫描仪测量结果

(1)通过SMR170和ACR两种体模对UMR770型3.0T磁共振扫描仪进行图像均匀度测量，其测量数值见表2。

(2)将所得信号值分别带入公式(1)计算，使用SMR170和ACR体模对UMR 770型3.0T磁共振扫描仪测量的MRI图像均匀度分别为95.75%和83.00%。

3 讨论

目前，对MRI设备的图像质量控制和管理体系基本源自美国，我国各级医院及管理机构虽已开展对MRI设备的监管，但主要着眼于设备出场安装，在使用过程中的图像质量控制和管理体系尚未完善，部分医疗机构仍存在忽视MRI图像质量控制的现象，对设备的状态和保养维护只停留于出现较为明显的伪影或设备停机后联系厂商维修的阶段。

临床中MRI图像质量控制的首要环节是建立一套规范完整，且应具有较高准确性的体模测试标准。在针对磁共振设备成像质量的评估及测试过程中，图像均匀度是一项非常重要的系统参数，是指当被成像的物体具有均匀的MR特性时，MRI系统在扫描整个体积过程中产生常量信号响应的能力，描述了MRI对体模内同一物质区域的再现能力[7]。图像均匀度计算公式其最大值为1，表明图像均匀度好，最小值为0，表明图像均匀度很差[8]。能够影响图像均匀度的主要因素包括静磁场均匀度、射频线圈品质与射频场性能、涡流效应以及梯度脉冲和穿透效应[9]。静磁场(B0场)，其均匀度主要取决于磁共振设备硬件安装及后期修正，影响均匀度的原理是改变了不同位置原子核的共振频率。射频场(B1场)，由射频线圈发出，射频场的幅值变化会导致不同时刻的共振信号差异，从而导致图像不均匀。涡流产生的瞬时磁场方向与梯度场方向相反，如果涡流补偿不足，会产生各种伪影，影响均匀度并使信噪比降低。如果梯度脉冲校准不好，会影响层面的选择和频率方向编码与相位方向的编码，使得图像出现伪影，影响均匀度[10]。测试所用接受线圈的质量和其他射频系统的问题也会导致均匀度的改变。不符合均匀度标准的图像表明射频系统信号的变化超过正常信号变化范围，必须及时对设备硬件进行排查和校正调试。

在对比SMR170及ACR两种体模的图像均匀度的测试方法时可以发现，两种检测方法都是使用相同参数的磁共振序列，在模体的特定层面中进行扫描，在所获得的图像中进行多次采样，并计算样本的图像均匀度均值。所不同点在于:①SMR170体模的均匀度检测范围为模体第2层扫描层面中心的10 cm×10 cm方形区域，在此区域内部进行采样；ACR水模的检测范围是在模体第7层内的中心绘制一个200 cm2的圆形ROI；②SMR170体模的采样点为9个面积均约为200 mm2的ROI，一般采样时，为尽量覆盖检测范围，做3×3的均匀分布；ACR体模采用的方法是调幅法，在圆形ROI内，分别选取信号最高和最低的区域各进行5次采样。从检测方法而言，ACR体模所检测的层面面积为SMR170体模的两倍，采样数量更多，采样位置则选择极值区域(5个极大值和5个极小值)而非均匀分布。扫描及测量所得的结果显示，在通过目测观察扫描图像，图像均匀度较高时，两种检测方式的结果都比较理想；当模体边缘出现小范围异常的低信号区域时，SMR170体模的检测区域未受影响，测量结果仍较高，而ACR体模的检测范围覆盖了部分低信号区域，对结果产生了较大影响。由此可见，扫描测量范围和采样方式的变化，使ACR体模对更大范围内图像内异常的不均匀信号更加敏感[11]。

目前，随着临床MRI扫描仪场强的不断升高及梯度线圈性能的不断发展，基于全脑体素分析的功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)和结构磁共振成像(structure magnetic resonance imaging，sMRI)等新技术已经广泛的在临床使用的超高场强磁共振仪器上开展开来，而这些技术多基于对磁场均匀性较为敏感的回波平面成像(echo planar imaging，EPI)序列构成。在实际扫描过程中，磁共振设备的图像均匀度出现偏差，将严重影响fMRI、sMRI等全脑分析的数据处理结果，导致得出与真实情况相差较大甚至相反的处理结果。由此，也对磁共振扫描仪的图像均匀度提出了更高的要求，在设备图像质量控制的过程中，所使用的体模也需能够准确地反应设备的真实状况。ACR体模的图像均匀度检测方法较sMR170体模视野范围更大，采样数量更多，对设备均匀度的改变更加敏感，更适合应用于磁共振高级功能应用上的图像均匀度的质量控制使用。