磁共振射频线圈单元数对图像信噪比的影响

金玮，王龙辰，李斌

上海交通大学附属第六人民医院医学装备处, 上海 200030

磁共振射频线圈单元数对图像信噪比的影响

金玮，王龙辰，李斌

上海交通大学附属第六人民医院医学装备处, 上海 200030

在磁共振成像过程中，射频线圈用来接收信号，对成像的质量起着至关重要的作用。用户在采购磁共振设备时往往用线圈的通道数和单元数来评价一个线圈的成像能力，而线圈的通道数又必须和系统的接收通道数相匹配，因此一般认为，在系统其他条件一定的情况下，线圈的单元数越多，成像质量越好。本文以Philips Achieva3.0T磁共振为平台，分别选取了8通道8单元的Sense Head（头部）线圈和16通道18单元的Sense Neurovascular（神经血管）线圈作为比较对象进行扫描，比较两者成像的信噪比。另外，选取15通道15单元Sense Spine（全脊柱）线圈，先后用不同数量的采集单元数成像，然后对信噪比进行评价。

磁共振成像仪；射频线圈；信噪比；头线圈；神经血管线圈；全脊柱线圈

0 前言

随着磁共振设备技术的快速发展，磁共振设备的系统配置选择也由最初的8通道系统逐步发展到16通道甚至32通道系统，随之而来的是与系统通道数相匹配的线圈的不断升级和优化。另一方面，并行成像技术也在不断发展，如今普通的正交线圈由于其通道数和单元数的不足已经不能完全满足成像的需求。因此，在采购磁共振设备时，用户往往追求拥有更多接收单元的并行线圈。然而，许多并行线圈并不包含在设备厂商所提供的标准配置当中，更多的时候用户需要另外购买或者升级更高性能的线圈来获得更好的图像质量。本文以图像的信噪比作为评价标准，比较

了不同单元数线圈采集信号后，形成图像所产生的信噪比。

1 比较方法

以Philips Achieva3.0T磁共振为测试平台，采用相同的序列来对2000CC水模（主要成分是浓度为99%的矿物油）进行横断位扫描。得到扫描图像之后进行信噪比测量，常用的测量方法有两种[1]。本次测量选取感兴趣区域ROI，位于水模图像中心，半径为水模半径的90%；另外选取4个同样形状的背景噪声区域，半径为水模半径的10%。信噪比的计算按照公式(1)：

其中，S为感兴趣区域的平均信号强度，即感兴趣区域的平均像素值，单位为1；SD为噪声信号强度，即4个背景噪声区域的像素标准差，单位为1。信噪比SNR的单位为1[2]。计算出感兴趣区域的SNR之后，再描绘出感兴趣区域里选取A-P方向和R-L方向上像素点的信噪比曲线，以此来直观地评价和分析线圈单元数对图像信噪比的影响。

2 不同单元数头线圈的比较

选取Philips公司8通道8单元Sense Head Coil和16通道18单元Sense Neurovascular Coil为比较对象。扫描序列分别采用T1W_FFE序列（FOV: AP=244 mm, RL=213 mm, Slice thickness=5 mm, Slices=24, Slice gap=1 mm, TE=2.3 ms, TR=250 ms, NSA=2）和T2W_TSE序列（FOV: AP=250 mm, RL=198 mm, Slice thickness=4 mm, Slices=30, Slice gap=1 mm, TE=80 ms, TR=3508 ms, NSA=1）。所得到的感兴趣区域平均像素值和噪声区域像素标准差如下。

2.1 T1W_FFE序列

所得到的感兴趣区域平均像素值和噪声区域像素标准差，见表1。

表1 感兴趣区域平均像素值和噪声区域像素标准差感兴趣区域SNR Sense Head (8channel)2.041.622.792.281693.25775.83 Sense NV (16channel)2.031.681.712.121939.441028.88噪声区域A噪声区域B噪声区域C噪声区域D

同时，我们记录下图像R-L方向和A-P方向上每一个点的像素值，并以这些像素值为横坐标，以信噪比大小为纵坐标得到如下关系图：Sense Head T1W R-L方向信噪比，见图1；Sense NV T1W R-L方向信噪比，见图2；Sense Head Coil T1W A-P方向信噪比，见图3；Sense NV Coil T1W A-P方向信噪比，见图4。

2.2 T2W_TSE序列

所得到的感兴趣区域平均像素值和噪声区域像素标准差，见表2。

表2 感兴趣区域平均像素值和噪声区域像素标准差

同样，我们记录下图像R-L方向和A-P方向上每一个点的像素值，并以这些像素值为横坐标，以信噪比大小为纵坐标得到如下关系图：Sense Head T2W R-L方向信噪比，见图5；Sense NV T2W R-L方向信噪比，见图6；Sense Head Coil T2W A-P方向信噪比，见图7；Sense NV Coil T2W A-P方向信噪比，见图8。

2.3 分析和讨论

通过以上表格中记录的数值和图表可以很清楚地看到，由于这两种线圈均采用了容积式的设计形状，因此，图像信号的线性度保持得很好，基本没有像表面线圈那样受到接收单元与成像体之间距离变化的影响。另外，不管是在用T1加权序列还是T2加权序列扫描，拥有18个接收单元的Sense NV线圈成像信噪比始终比只有8个接收单元的Sense Head线圈要高40%，在T2加权扫描时两者之间的差别更加明显。再观察图表上的数值我们发现，尽管Sense NV线圈配置的单元数比Sense Head线圈配置的单元数多两倍之多，但在信噪比数值上并没有反映出这样的差距。当然，这其中可能有选择扫描序列的参数设置的原因（比如NSA可以取的更大一些增加取样次数），也可能有选取方向上的原因（选取的是直线方向上的点而非整个ROI区域内的随机分布点）。但是必须要指出的是，Sense NV线圈虽然经常被用来做常规的头颅扫描，但是该线圈在神经血管方面的成像能力才是其优势所在[3-6]。因此，如果用来做一般的头颅扫描，从以上成像数据来看，跟Sense Head线圈相比，Sense NV线圈在做头颅常规扫描时其优势有限。

3 同一全脊柱线圈不同单元数的比较

比较过了不同的线圈之后，选取全脊柱线圈开启数量不同的接收单元数来进行图像信噪比的比较。之所以选择Sense Spine线圈是因为该线圈扫描范围相当大，是唯一一个可以根据用户需求手动调节接收单元的线圈。Sense Spine线圈内部一共有5个功率放大器电路板和1个功率输出电路板，沿Head-Foot方向顺序直线排列。相应的，在扫描前用户在操作界面选择开启A-B-C-D-E-F等接收单元，这次我们分别选择单一开启E接收单元，D-E双接收单元和D-E-F三接收单元。扫描区域定位为腰椎，选用的序列为T1W-TSE（FOV: AP=270 mm, RL=270 mm, Slice thickness=4 mm, Slices=9, Slice gap=0.4 mm, TE=8 ms, TR=442 ms, NSA=2）。用之前的测试方法得到的数据如下：

所得到的感兴趣区域平均像素值和噪声区域像素标准差，见表3。

表3 感兴趣区域平均像素值和噪声区域像素标准差

我们记录下图像F-H方向上每一个点的像素值，并以这些像素值为横坐标，以信噪比大小为纵坐标得到如下关系图：E-element F-H 方向信噪比，见图9；DE-element F-H 方向信噪比，见图10；DEF-element F-H 方向信噪比，见图11。

从SNR的数值上来看，前后3次扫描所得到的图像在感兴趣区域内的信噪比没有很大的差别。换句话来说，仅采用E-element采集单元与采用DE-element采集单元甚至DEF-element采集单元的信噪比数值，没有太大差别，这一点在图上也表现的非常明显。从以上的对比来看，更多的线圈采集单元数并没有带来明显的信噪比提升。究其原因，由于全脊柱线圈采用的是采集单元直线式排列，更多的采集单元中必然有一些距离我们的感兴趣区域更远，实际上等于扩大了扫描范围，而更大的范围往往带来更多感兴趣区域外的噪声，这样即使采集到更多的有效信号，但同时也采集到了更多的噪声信号，于是就不可避免地导致信噪比没有像我们预想的那样，随着并行线圈单元数目的成倍增加而显著改善。

4 总结

从所绘的曲线来看，不管是Sense Head线圈还是Sense NV线圈，不管是R-L方向还是A-P方向，精确到每个像素点上的信噪比数值连接起来呈一波动幅度很小的直线；脊柱线圈无论采用多少个接收单元，在F-H方向上呈一两头低中间高的弧线，越接近图像中间部分信噪比数值越高。对于不同的头线圈，配备18单元数的NV线圈成像信噪比要高于8单元的相控阵头线圈，而脊柱线圈在扫描某一特定部位启用更多接收单元时的成像信噪比，并没有明显优于启用较少接收单元时的信噪比。

然而，这次对比是在特定的选择区域内进行的，如果选取更小的感兴趣区域，脊柱线圈在采用更多的单元时成像的效果可能会更好，与采用较少单元之间的差距就会比较明显。另外，在头颅扫描过程中我们只选取了T1加权和T1加权序列，所设置的参数也考虑到了扫描时间和成像效果之间的平衡，如果采用其他诸如STIR（短时间反转恢复）、GRE（梯度回波）等序列时得到的数值差异会有所不同，虽然这种差异在这次的对比过程中表现的并不大。

在购置磁共振配套线圈时，用户往往一味的追求高配置，以得到更好的成像效果。但是厂商在自主研发线圈时的侧重点不同，有的偏向于增加性噪比提高图像质量，有的则偏向于增加扫描范围。比如Siemens公司的Tim线圈，其一体化的拼接设计使得操作者在改变扫描部位时不必更换整个线圈，给用户带来了便利，节约了时间；这样的设计理念如同Philips公司的全脊柱线圈一样，堆叠式增加采集单元的确扩大了扫描范围，但是本质上对图像信噪比的影响没有太大改善。

另外，线圈的成像质量不仅决定于硬件配置，线圈本身的设计结构、射频系统的配置、各系统间的匹配、扫描参数的设定、甚至日常的设备维护都会对成像质量带来重要的影响。因此，作为用户，在采购线圈的时候应该结合临床实际使用的需求明智地选配适合自己的线圈，而不是一味的追求更高的配置参数。

[1] Kaufman L,Kramer DM,Crooks LE,et al.Measuring Signal-to-Noise Ratios in MR Imaging[J].Radiology,1989,173(1): 265-267.

[2] Price RR,Axel L,Morgan T,et al.Quality assurance methods and phantoms for magnetic resonance imaging:report of AAPM nuclear magnetic resonance task group no 1[J].Med Phys,1990, 17(2):287-295.

[3] 王龙辰,李斌,肖云峰,等.基于信噪差分比方法的磁共振射频线圈在头颅血管造影中的对比研究[J].中国医疗器械杂志, 2011,(4):256-259.

[4] 朱高杰,李斌,魏小二.基于定量对比方法的磁共振射频线圈的MatLAB图形化性能研究[J].中国医疗器械杂志,2010,(3): 180-182.

[5] 朱高杰,李斌,王杰.3.0T磁共振颈部成像中表面线圈和容积线圈性能研究[J].中国医疗设备,2009,(5):18-21.

[6] Bittersohl B,Huang T,Schneider E,et al.High-Resolution MRI of the Triangular Fibro cartilage Complex(TFCC) at3T:Comparison of Surface Coil and Volume Coil[J].Journal of Magnetic Resonance Imaging,2007,26(3):701-707.

Impact of MR Coils Element Numbers on Image Signal to Noise Ratio

JIN Wei, WANG Long-chen,LI Bin
Medical Equipment Department, No.6 People’s Hospital Aff liated to Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China

Radio-frequency (RF) coils are used to receive signals from human bodies during MRI imaging, they are important to the image quality. In the process of purchasing, technicians usually evaluate the imaging quality of RF coils based on their channels and elements numbers. Since the number of coil channels have to be matched with that of MRI system, more elements of RF coils result in better imaging quality under the same condition. In this paper, we chose Philips Achieva3.0T as the platform and compared the signal noise ratios of Sense Head Coil with 8 channels and 8 elements Sense NV coil with 16channels and 18elements. Moreover, we selected 15 channels Sense Spine coil but different number of elements respectively to scan phantoms and evaluate SNR.

MRI; radio-frequency coil; signal noise ratio; sense head coil; sense neurovascular coil; sense spine coil

R445

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.08.038

1674-1633(2012)08-0116-04

2012-03-02

作者邮箱：stlastday@yahoo.cn