脑功能磁共振设备性能参考基线建立方法初探

1.中国人民解放军第五医院 医学工程科，宁夏回族自治区 银川 750004；

2.南京军区福州总医院 医学工程科，福建 福州 350000

脑功能磁共振设备性能参考基线建立方法初探

史刚1，杨明1，倪萍2

1.中国人民解放军第五医院 医学工程科，宁夏回族自治区 银川 750004；

2.南京军区福州总医院 医学工程科，福建 福州 350000

目的设计一种针对脑功能磁共振成像设备的质量检测方法，建立个性化的性能参考基线，实时监测设备性能。方法参考美国放射学学会制定的ACR检测标准，使用标准ACR水模及功能成像的常用序列设计质量检测方法，对仪器进行周期性检测并对数据进行处理，绘制性能基线。结果建立的性能基线能准确反应成像系统的实时性能，并具有一定的预测功能。结论该检测方法操作简单，耗时少，性能参考基线能科学准确地监测设备状态。

脑功能磁共振；质量控制；性能参考基线；信号稳定性；图像扭曲变形；Ghost伪影

自1978年英国诺丁汉大学和阿伯丁大学物理学家首次获得人体MR图像以来[1]，磁共振技术以其独有的软组织成像特点在影像领域的地位不断攀升。1990年Belliveau首次报道了血氧水平依赖检测技术，为影像学从单一形态学研究到形态与功能相结合的系统研究的转变开辟了一条崭新的道路，没有医学影像技术和医学影像设备的进步和发展，就不可能有今天的现代医疗技术和先进诊断水平[2]。

血氧水平依赖功能磁共振成像（Blood Oxygenation Level Dependent-functional Magnetic Resonance Imaging, BOLD-fMRI）是在常规磁共振成像基础上发展起来的一项新技术，主要用于对大脑各级功能的研究，研究内容包括视听觉、运动功能、药物成瘾、脑外科术前定位以及脑创伤术后功能恢复评估等，相关的研究和成果在国内外已有诸多报道，但与之相应的质量控制检测的讨论研究却很少。据统计显示，目前我国磁共振仪器的运行状况并未完全达标[3]，还没有一个统一的规范的质量控制检测标准。本文参考美国放射学学会(American College of Radiology, ACR)制定的MR质量控制手册中相关参数的检测方法，结合功能磁共振的成像特点设计了新的检测评价方法，并通过对总院的Siemens Trio Tim 3T磁共振成像设备进行定期的质量控制检测及对数据进行分析处理，建立起各参数的性能参考基线，用以评价日常MRI设备的性能状况，并分析了各项参数的影响因素。目的是降低检查者的风险，提高图像可靠性，提早预判设备可能出现的问题，降低设备的维护成本。

1 功能磁共振成像原理

功能磁共振成像的技术基础是血氧水平的变化，通过间接检测组织中氧合血红蛋白（Oxyhemoglobin，OHb）与脱氧血红蛋白（Deoxygenated Hemoglobin, DHb）浓度变化来成像，DHb是一种顺磁性物质，它的存在会影响血管附近磁场的均匀性，缩短T2*时间，在T2*加权成像时，使局部的信号强度减弱。人脑在静息状态下，血液中OHb与DHb的浓度比呈稳定状态，当功能区域被激活后，激活区氧消耗增加，又由于血流的增加与轻度增加的需氧量是不成比例的，这种局部血流过度增加的效应（代谢需要和局部脑血流的耦合效应）使得被激活区域内静脉血液中的DHb浓度不升反降，DHb水平的相对减少导致局部磁场不均匀性降低，从而使激活区的T2*信号强度得以增加。功能磁共振成像正是通过检测这些增强点捕获到激活区域进而生成图像的。

2 材料和方法

2.1 ACR水模

ACR磁共振成像水模是一个短的，两端密闭的丙烯酸塑料空心圆筒，其结构及定位扫描结果，见图1。如图1左侧所示：内部长度为148 mm，内径为190 mm，里面充满着氯化镍和氯化钠溶液，外部是蚀刻在表面的为了确定水模扫描位置的单词，NOSE和CHIN。水模的内部是一些为了测试扫描器相关参数而设计的特殊结构，图1右侧是定位扫描结果。

图1 ACR水模结构及定位扫描结果

2.2 参数选择

扫描序列：11层，EPI序列，TR=3000 ms，TE=30 ms，FOV=25 cm，层厚=5 mm，层间隔=5 mm，Scan Matrix= 256×256，NEX=1，回波链长度：22。

2.3 检测参数及方法

信噪比SNR的测量方法与常规检测方法一致，在此不作赘述。

2.3.1 信号稳定性

功能磁共振信号稳定性是指对同一对象进行连续扫描的过程中图像信号强度随时间的变化情况。由于磁共振设备性能的不稳定性最终会表现为图像灰度的变化波动，因此可以选用同一序列来检测同一水模的同一个感兴趣区（Region of Interest, ROI），计算该区域的灰度平均值的波动情况，即可反应功能磁共振信号的稳定性。

功能磁共振信号稳定性单次检测结果，见图2。图中曲线的纵坐标对应的就是成像中同一区域（ROI≥图像的70%）的信号强度的平均值，横坐标是不同的扫描序号，考虑到系统预热，去掉前后各10个结果，在中间段找到曲线的最大值和最小值，代入公式：稳定性= 200%×（Smax - Smin）/（Smax + Smin）。

曲线的生成是利用磁共振设备自带的软件实现的，在GE Excite HD 1.5T设备上调用functional tool软件；在Siemens Trio Tim 3T设备上调用Mean Curve软件。

由于功能成像的有用信号幅度非常之小，很容易淹没在不稳定的波动中，所以必须对波动情况加以严格的限制。AAPM(美国医学物理学家协会)提出BOLD-fMRI扫描激活信号标准差的涨落幅度应≤0.3%。

图2 功能磁共振信号稳定性单次检测结果

2.3.2 图像扭曲变形

扭曲形变是选择EPI序列扫描时，由于系统硬件的性能波动以及序列对磁场不均匀性的高敏感度，使成像结果常常会发生较为明显的不限于频率和相位编码方向的形变，几何畸变主要反映梯度场性能[4-5]。

分别测量图像在相位编码方向和频率编码方向的直径，计算测量值与理论值的偏差。实际形变图像，见图3。

计算公式为：扭曲变形率=（1-|Lm-Lt|）100% ，公式中Lm表示测量值，Lt表示理论值。

要求：偏差＜1%。

图3 实际形变图像

2.3.3 Ghost伪影

EPI序列使用方向相反的频率读出梯度交替采集MR信号的奇、偶回波，由于静磁场的不均匀性、梯度磁场高速切换产生的涡流以及采集时序的不准确性等，使k空间的奇、偶回波之间呈现一定的相位差，于是在相位编码方向产生了ghost伪影。Ghost伪影测试示意及实际测量图，见图4。

测量方法：选择均匀的一层，如图4所示，左边一幅为示意图，右边为实际测量中的图像。

计算公式为：ghosting ratio = |((top+btm)-(left+right)/ (2*(large ROI))|。

公式中top, btm, left, right分别代表图4中右图中示意区域的信号均值。

要求：伪影＜3%。

图4 Ghost伪影测试示意及实际测量图

3 检测结果

3.1 信号稳定性

3.1.1 检测结果

信号稳定性检测数据，见表1；信号稳定性参考基线，见图5。

表1 Siemens Trio Tim 3．0T稳定性检测数据

图5 信号稳定性参考基线

3.1.2 影响因素分析

主磁场的均匀分布是检测的基础，主磁场不均匀，梯度系统就不能很好地进行定位和编码，严重影响检测结果；由于人体组织的T2*衰减非常迅速，为了保证能够及时完成K空间的采集，需要保证读出梯度足够短，EPI要求读出梯度的爬升时间比标准时间短几倍，而且必须达到高的水平，因为图像在读出方向的空间分辨率取决于读出梯度场波形的积分，所以要求读出梯度持续时间非常短，梯度幅度非常高，以及梯度场的切换率＞200 T/m/s，这对于系统的硬件性能要求极高，如果不能满足，则会导致检测失败；射频激发系统与接收系统之间的屏蔽不好，也会导致接收的信号发生较大的波动，影响检测结果的稳定性。因此，当该项参数检测结果与参考基线有较大偏差时，提示工程师检查电源系统是否稳定，射频系统与接收系统之间的屏蔽是否完好，是否有异物存在磁场中。

3.2 图像扭曲变形

3.2.1 检测结果

图像扭曲变形检测数据，见表2；图像扭曲变形参考基线，见图6。

表2 Siemens Trio Tim 3．0T扭曲形变检测数据

图6 图像扭曲变形参考基线

3.2.2 影响因素分析

水模的正确摆位是进行检测的基础，摆放不正会直接导致几何尺寸发生差异，检测结果不合格；磁性异物的存在也会影响主磁场的分布，反映在图像上为微小的形变或伪影，影响结果；梯度放大器如果发生故障，梯度磁场的线性和均匀性均受影响，导致层面选择不准确，几何尺寸也会发生相应的偏差；如果接收带宽过窄，系统对磁场不均匀性敏感性增强，微小的差异就会导致成像结果发生形变。因此，当该项参数的参考基线发生较大偏移时，工程师应检查梯度放大器工作状态并排除磁性异物的影响。

3.3 Ghost伪影

3.3.1 检测结果

Ghost伪影检测数据，见表3；Ghost伪影参考基线，见图7。

表3 Siemens Trio Tim 3．0T伪影检测数据

图7 Ghost伪影参考基线

3.3.2 影响因素分析

在EPI序列成像结果中Ghost 伪影是无法避免的，这与此序列成像原理有关，在EPI序列中，回波链中使用了正负两种频率编码梯度采集数据[6]，频率编码梯度高速切换，但受到梯度线圈性能限制，无法避免涡流和剩磁的影响，使得理论梯度磁场与实际作用的梯度磁场存在差异，最终导致K空间内的奇偶行数据产生偏差，还原图像中便出现的伪影。原始K空间奇偶回波单独重建图像数据时，根据二维多项式拟合参考扫描各点相位漂移估计值对图像进行相位校正，可减轻伪影的影响。但在噪声较严重的情况下，校正后的图像仍含有较严重的残余伪影[7]。与此同时，电源电压的波动也会导致梯度磁场的不规则变化，因此，如果在实际检测工作中发现Ghost伪影的参考基线单向递增或在波动中有明显的上升趋势，此时，工程师就应该主动检查梯度系统和供电系统，防患未然。

4 结语

医疗设备的应用质量直接影响设备的使用效率和诊断治疗效果，是医疗质量与水平的重要体现[8]。功能磁共振的临床应用和科学研究已经得到广泛的认同，为了保障其成像结果的可靠性，我们就需要普及磁共振设备[9]的质量控制工作。国内相关的工作开展的远不及国外，我国急需建立起一个完整的且易于操作的功能磁共振质量控制检测规范，强制进行周期性检测，为每台设备建立起个性化的性能参考基线。当检测结果与参考基线发生较大偏差时，提示工程师做相应的检查排查工作，便于提早发现问题并及时对机器进行调整，保证MR设备工作的安全性和结果的可靠性。

[1] 胡熙宁．MRI快速成像技术原理及发展趋势[J]．医疗装备, 2001,14(12):12-13．

[2] 严汉民．医学影像设备的质量保证与质量控制[J]．中国医疗设备,2008,28(10):138-140．

[3] 唐鹤菡,幸浩洋,李飞,等．脑功能磁共振成像的质量控制标准[J]．WEST CHINA MEDICAL JOURNAL,2008,23(4):680-681．

[4] 康立丽,余晓锷,洪德明．40台磁共振成像设备状态检测结果分析[J]．中华放射学杂志,2000,34 (1):13-16．

[5] 王凯,张伟伟,唐一源．磁共振脑功能成像—信号噪声及分析处理研究[J]．国际生物医学工程杂志,2006,29(5):277-279．

[6] 朱礼涛,吴慧,朱朝喆．基于EPI方法的功能磁共振成像质量问题实例分析:主要成因与应对方案[J]．磁共振成像,2012,3(2): 144-148．

[7] 陈春晓,罗立民,陶华,等．MR图像Ghost伪影的校正[J]．中国生物医学工程学报,2005,24(3):350-351．

[8] 纪春雷．探索大型医疗设备质量控制新模式[J]．中国医院院长, 2008,(22):68-69．

[9] 冯庆宇．核磁共振成像装置(MRI)质量控制与实施保证[J]．中国医疗设备,2011,26(1):151-152．

study on Establishment Method of Performance Baseline of Brain Functional Magnetic Resonance Equipment

SHI Gang1, YANG Ming1, NI Ping2
1.Medical Engineering Department, The 5thHospital of PLA, Yinchuan The Ningxia Hui Autonomous Region 750004, China; 2.Medical Engineering Department, Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Command, Fuzhou Fujian 350000, China

ObjectiveTo design a quality detect method for brain functional magnetic resonance equipment and establish the personalized reference performance baseline to monitor the real-time performance of the equipment.MethodsAccording to the ACR detect standard drawn up by American College of Radiology, designing the quality detect method by using the standard ACR MRI phantom and frequently-used functional imaging series to test the equipment periodically, and than collecting and processing the data to draw the performance baseline for each piece of the equipment.ResultsThe performance baseline can monitor the real-time performance of the imaging system accurately and sometimes can predict some problems of the equipment.ConclusionThe detect method is simple and can be finished in a short time, and the performance reference baseline can monitor the real-time performance of the equipment scientifically and accurately.

brain functional magnetic resonance; quality control; performance reference baseline; signal stability; image distortion; ghost artifact

R445.2

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2013.08.009

1674-1633(2013)08-0026-04

2012-12-20

2013-07-12

作者邮箱：785277936@qq．com