一种磁共振成像装置质量控制测试体模的研制

徐 桓 赵庆军* 张秋实

一种磁共振成像装置质量控制测试体模的研制

徐 桓①赵庆军①*张秋实①

目的：设计一种功能全面、结构简单及测量精度高的磁共振成像(MRI)质量控制测试体模。方法：通过对MRI原理以及影响MRI图像质量的技术参数进行深入研究，提出体模应具备的性能指标，确定材料、加工工艺、加工精度等技术方案，采用数字控制机械加工的方式试制出MRI测试体模1套；将其与同类进口体模进行比对实验，分析其测试结果是否具有一致性。结果：自制体模的各项技术参数的测试结果与同类进口体模的测试结果一致性较好，测试组件更全面，低对比度分辨力等技术指标优于进口体模。结论：设计研制的测试体模能够满足医院MRI日常质量控制工作的需要。

磁共振成像；质量控制；体模

[First-author’s address] The Institute for Drug and Instrument Control of Health Department GLD of PLA,Beijing 100071,China.

随着影像学技术的发展，影像诊断技术在整个医疗过程中所起的作用至关重要。而医用磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)装置作为当今先进医学影像诊断设备之一，可实现对多数人体病变的明确诊断，但其影像质量直接影响临床诊断效果。为了保证临床诊断效果以及设备的正常运行，获得优质影像，质量控制工作已经成为MRI设备使用中的重要环节。目前，国际电工委员会(IEC)、美国电气制造商协会(NEMA)、美国医学物理家学会(AAPM)等均针对MRI质量控制出台了相关标准，同时AAPM与美国放射学院(ACR)研制了相应的MRI测试体模，用于MRI的日常质量控制。MRI体模为国外进口，价格昂贵。为了满足MRI日常质量控制工作的需要，本研究在对MRI质量控制标准进行深入研究的基础上，通过对MRI设备质量控制工作进行大量的实验研究，设计了一套既符合现行标准要求，又能满足MRI日常质量控制需求的体模。通过与进口体模进行比对实验，其实验结果具有较好的数据一致性。

1 MRI测试体模设计思路

通过对MRI成像原理、不同射频线圈的技术特性、以及影响MRI图像质量的技术参数进行深入研究，提出满足MRI质量控制要求的性能测试体模应具备的性能指标，并确定其制作材料可行性、工艺设计等技术方案，在进口的MRI体模基础上对结构进行重新设计，研制出包含定位组件、空间分辨力、低对比度分辨力、均匀性、噪声及层厚等多个测试组件的MRI测试体模。

2 MRI测试体模设计原理

2.1 体模的基本结构

MRI质量控制测试体模外形设计为圆柱体结构，可方便放置于MRI的各种射频线圈中。体模由圆柱形外筒与空间分辨力测试组件、低对比度分辨力测试组件、均匀性与噪声测试组件、层厚测试组件(2种)、几何畸变测试组件(2种)及MTF测试组件等8个独立可替换的测试组件组成。圆柱形外筒直径为20 cm，长为25 cm。各独立测试组件均设计为圆盘形，圆盘上分别设计4个圆孔，通过4根通心柱固定在圆柱体外筒的上下两个底板上。圆柱体外筒可一次性固定最多5个测试组件，其他组件可根据测试的不同需要进行替换。体模材质主要为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。内部液体为氯化镍、氯化钠混合溶液或硫酸铜溶液，其产生的磁共振信号的特性应与患者身体相类似(T1时间＜1200 ms，T2时间＞50 ms)。

2.2 体模的工作原理

关于MRI质量控制现行有效的标准与方法有很多，体模的设计主要参照国家标准YY/T 0482-2010医用成像磁共振设备主要图像质量参数的测定[1](简称“标准”)、AAPM 100号报告[2-3]以及美国电气制造商协会NEMA的MS系列测试标准[4-6]。其中，“标准”等同引用了IEC 62464-1：2007，为国内最新颁布的并现行有效的MRI质控检测标准；是否满足该标准的要求，成为了检验体模设计是否成功的关键。体模设计覆盖了“标准”中规定的6项关键技术指标，包括信噪比、均匀性、二维扫描的层厚、二维几何畸变、空间分辨力和鬼影。

(1)信噪比与均匀性测试组件。信噪比测试要求体模能够提供产生一定体积的均匀信号[7-8]，而对体模的外形没有明确要求，可以为圆柱体、球体或椭圆体。对于体部测试，要求最小的截面积是直径200 mm的圆，对于头部测试，要求最小的截面积是直径150 mm的圆。因此，体模设计时充分考虑了头、体部测试的不同需要，同时，也考虑到当前主流MRI机型的头部射频线圈的尺寸，将体模设计为直径200 mm的圆柱体，可同时满足头、体测试的同时，又能保证体模能够放置于头部射频线圈当中。体模内部则填充能够产生磁共振信号的均匀液体材料[9-11]。均匀性测试可同样采用此测试组件完成。

(2)层厚测试组件。“标准”中规定了两种不同的层厚测试方法，分别为斜板法与斜楔法。基于此，体模也分别了设计了斜板与斜楔两种不同的测试组件。斜板设计为两个厚度为1.6 mm的交叉斜板，二交叉斜板的斜面与MRI成像的轴设计为一个固定角度α，MRI成像时，斜板将产生一个等腰梯形信号强度剖面。斜楔则设计为两个反向的楔形。两个楔形的斜面与MRI扫描平面形成一个固定角度α，斜楔同样能够产生一个信号强度剖面。可根据斜板或斜楔产生的信号强度剖面线进行分析处理后完成层厚的测量[12-13]。

(3)二维几何畸变测试组件。二维几何畸变同样设计为2种不同的测试组件。按照“标准”的要求，设计为一个直径为20 mm的PMMA圆盘，在圆盘的中心垂直固定一根直径为1.6 mm的中心钉，其材质同样为PMMA，中心钉与圆盘边界作为测试点，通过测量二者之间的距离完成几何畸变的测试；另一种为格栅式模型，由8×8个正方形栅格构成，栅格的边长为0.9 cm。格栅式模型的优点在于可以直观的看出图像的几何畸变。

(4)空间分辨力测试组件。空间分辨力组件设计为不同宽度的10组线对，分别为1～10 Lp/cm。线对分布于由PMMA制成的圆盘上，由不同宽度的长方形槽间隔形成，占空比为1∶1。将该组件通过MRI成像，可分辨的最小线对数即为MRI的空间分辨力。

(5)低对比度分辨力测试组件。低对比度分辨力考察MRI分辨低对比度目标物体的能力[14-15]，相比CT等其他影像类设备，MRI设备的低对比度分辨能力优势明显，因此“标准”并为对该技术指标提出具体要求，参考AAPM的100号报告内容，为体模设计了低对比度分辨力测试组件。该组件由分布于PMMA圆盘上的5组不同深度的圆孔组成，孔深分别为2 mm、1 mm、0.75 mm、0.5 mm和0.25 mm；每组则由4个不同直径的圆孔组成，孔的直径分别为2 mm、4 mm、6 mm和8 mm。该组件通过不同的孔深设计实现了不同的对比度，通过不同孔径实现了相同对比度下对不同尺寸目标物体的分辨能力测试。

(6)MTF测试组件。MTF测试组件的设计简单实用，为1 cm厚度的半圆形PMMA模型，其半圆的直边可用于刃边法进行MTF测试。配合ImageJ设计的Java程序组件，可实现MTF的快速测试。

3 MRI测试体模设计特点

该体模设计结构精巧、密封良好、组件独立、拆装灵活，具备5个测试层，8个可替换的测试组件，适用于0.3～3 T标准医用磁共振系统头体线圈的图像质量测试，能够满足MRI日常质量控制需要。MRI测试体模设计过程中充分考虑了机械加工的公差，对各设计组件的几何尺寸的最大允许误差进行了严格规定，保证了体模的测试精度，与进口体模相比，测试组件更加全面，低对比度分辨力等组件的设计指标更是优于同类进口体模(如图1所示)。

图1 MRI体模测试图像

4 实验数据及比较分析

对于MRI体模，国内目前尚无计量机构能够对其进行检定或校准，为保证其测试结果的准确性，设计了一组比对实验。将自制体模与体模实验室的Magphan SMR170测试体模进行比对。选取相同的TR、TE，不同层厚、不同成像矩阵，对两组体模的空间分辨力、层厚等参数进行比较，其结果一致性非常好。这里仅列出了空间分辨力、层厚2个易受加工精度、几何尺寸影响的技术参数的比较结果见表1。

表1 两组体模参数测试结果数据比较

5 结论

本研究从医院进行MRI质量控制的实际需求出发，对现有体模的功能结构、技术指标进行分析的基础上，设计出了一种功能全面、结构简单、体积小、测量精度高的MRI质量控制测试体模，同时，由于该体模为自行设计研制，大大降低了加工成本，既能满足MRI质控需要，又能尽量较少医院的负担。分析结果表明，该体模的几个不同测试组件均满足MRI测试的要求，但考虑到实际测试中可能存在摆位误差等人为因素的影响，目前进行测试的样本量还不够大，无法准确给出不同测试组件的测试结果的测量误差或不确定度。

MRI测试体模的设计虽然已尽量包含了MRI质量控制中的各项技术参数，但是由于MRI设备本身的复杂性，如要完成MRI设备的图像质量的全面测试，单一体模确实无法胜任。因此，体模也存在以下限制与不足：①该体模不能覆盖所有的MRI射频线圈的测试需要，如无法实现表面线圈的均匀性的测试；②MRI成像灵活，可在冠状位、矢状位和轴状位3个方向同时成像，在体模的设计时，尽量考虑到3个方向的测试需求，但由于体模设计为圆柱形结构，无法完成二维几何畸变、空间分辨力等参数的3个方向的测试，只能实现轴状位的测试。如需进行另外2个方向的测试，仍需单独设计球型体模而完成。尽管存在上述问题，在MRI日常质量控制中无需要对上述情况进行测试，因此该测试体模能够完全胜任医院MRI日常质量控制工作。

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Development of a test phantom used for MRI’s quality control

/XU Huan, ZHAO Qing-jun, ZHANG Qiu-shi// China Medical Equipment,2014,11(10):83-85.

Objective: Design a test phantom with a full function, simple structure and high accuracy which is used for MRI’s Quality Control. Methods: Through a intensive study in imaging principle of MRI and parameters which effect the image quality ,first come up with the phantom’s performance data, and then determine the technical solutions including the choosing material, processing technology, the machining precision, at last develop a trial set of MRI test phantom using the method of numerical control machining. Make a comparative experiment between this phantom and the similar imported one to analyze the consistency of the results by the two phantoms. Results: The result of all the technical parameters of this phantom is consistent with the result of the imported one. There are some extra test components which the imported phantom doesn’t contain. Some performance data like the low contrast resolution are superior to the imported phantom. Conclusion: This MRI test phantom can satisfy the requirement of the daily quality control work in hospital.

Magnetic resonance imaging; Quality control; Phantom

1672-8270(2014)10-0083-03

R197.39

A

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.10.028

2014-06-16

①总后药品仪器检验所放射仪器室 北京 100071

*通讯作者：yjszqj@sina.com

徐桓，男，(1981- )，本科学历，工程师。总后药品仪器检验所放射仪器室，从事大型医疗设备检测工作。