MRI断层层厚测量方法研究

康立丽，张丽媛，杨绍洲

（1.南方医科大学生物医学工程学院，广东 广州 510515；2.南方医科大学中西医结合医院设备科，广东 广州 510515）

0 引 言

层厚是断层成像技术的一项重要性能参数，对其进行快速、准确测量可以更加准确地评价相关设备的性能。对于磁共振成像技术（magnetic resonance imaging，MRI），断层层厚的选取是在静磁场、梯度场、射频场的配合作用下确定的。通过对相应体模成像及断层层厚的测试可以评价上述3个场的性能。传统的层厚测量方法是调节窗宽、窗位或者是利用设备自身提供的灵敏度剖面线（Profile）功能测量相关目标物的尺寸，然后根据体模具体参数计算出断层层厚[1-7]。

目前国内的相关测试多是采用调节窗宽、窗位的方法（祥见1.3.1）进行手工测试，测试速度慢、主观性强、不确定度较大。发达国家进行断层影像设备层厚参数的测量多采用软件自动测试，降低了人员手工测试的主观性。软件自动测试的原理是测量灵敏度剖面线的最大半高宽（full width at half maximum，FWHM），详见1.3.2。该方法对于传统超导MRI设备适应性较好。但是近些年，随着场强的增加及射频线圈技术的发展，使得利用FWHM进行测试易出现过估计或欠估计的情形，从而导致系统校准错误。

为提高层厚测量的准确度及实现层厚非均匀性参数的测量，需要大量测试结果[8]，研究准确、快速、稳定性好的层厚测试方法及实现软件自动测量显得尤为必要。基于对现有层厚测试方法及在测试中遇到的多种情形的分析，为提高测试结果的准确性、重复性，降低不确定度，提出多灵敏度剖面线平均及利用一阶导寻找测试目标物边界的方法用于层厚测量。

1 原理与方法

1.1 测试工具

常见层厚测试的体模结构有楔形、单一斜面、交叉斜面等构造[1-4]。相关研究工作利用美国体模实验室的磁共振成像系统测试用Magphan体模，该体模层厚测量结构是利用两对正交的交叉斜面。交叉斜面结构在断层扫描下得到的图像显示为4个黑色条块（如图1所示），斜面结构较宽便于得到更多的测量样本用于平均[9]。

1.2 层厚测试原理

图1 正交交叉斜面扫描结果示意图

图2 断层层厚测量示意图

图3 交叉斜面测量层厚原理示意图

断层层厚的测量一般是利用斜面结构在图像中的投影长度进行，再根据斜面倾斜程度得到断层层厚。如图2所示，D是断层的厚度，斜面结构在断层扫描图像上的长度为L，斜面与断层的夹角为α，层厚D与可由下式得到：

多数体模给出α（获得正切值），也有的体模给出的是放大因子M（M=L/D=1/tanα），因此层厚D也可利用下式确定：

利用式（1）或式（2）得到的层厚结果受摆位误差影响较大。为减少体模摆位给层厚测量带来的误差，对于有交叉斜面结构的体模还可以用下式计算得到断层层厚[1，3]：

式中：a、b——两个交叉斜面在图像上的投影长度（ 即式（ 1）、式（ 2）中的 L）；

θ——两个斜面的夹角，如图3所示，θ在体模

设计、加工时就已经固定，不受摆位的影响。

对于MR图像上斜面投影长度的测量，目前常见的方法有调节窗宽、窗位和灵敏度剖面线等。

1.3 层厚测试方法

1.3.1 方法1：调节窗宽、窗位方法

通过测量层厚目标物和背景的信号强度确定窗位WL，窗宽WW则设置为最小窗宽，如下式所示。

式中：S——目标物的最大信号强度；

Sb——背景的信号强度。

在此窗宽、窗位下测量目标物长度L，再根据式（ 1）~式（ 3）选取方法得到层厚测量结果[1-5，9]。

1.3.2 方法2：传统灵敏度剖面线方法

在待测量的目标物上确定直线范围，得到其灵敏度剖面线（Profile曲线）。如果斜面结构是高信号情形，测量其剖面线的FWHM，即斜面结构在断层图像上的投影长度（如图4所示）；如果斜面结构是低信号情形，则其剖面线是反向的，测量其半高宽度即可。根据式（ 1）~式（ 3）选取方法得到层厚结果[1-4，8]。

图4 利用Profile曲线测量FWHM示意图

利用Profile曲线方法比调节窗宽、窗位的方法测试层厚更加准确，结果更加可视化，但是每次只能得到一条曲线结果，难以实现样本量的平均化。

1.3.3 方法3：改进的方法

在Profile曲线基础上进一步完善，通过编制相关程序自动测试MR图像上相关测试结构的Profile曲线，例如图1中正方形结构上、下、左、右4个黑色条块。针对每个条块，可同时得到多条平行Profile曲线的均值曲线（如图5（a）所示），利用该均值曲线测量FWHM得到层厚结果（方法3A）。

考虑到MR图像容易受到图像均匀性和伪影等因素的干扰，其Profile曲线可能会明显偏离理想状态，导致其半高宽很难测量。常见情形是Profile曲线两边背景不一致，当背景不一致程度明显时，不仅对层厚的测量造成很大误差，而且在临床上易影响病灶的影像学表现，从而影响诊断结果，严重时导致误诊或漏诊。分析利用半高宽测量物体长度的原理，可知理想情况下半高位置对应其边缘。为了更好地提取目标的边缘测量其长度，利用多样本平均的Profile曲线f（x），求其一阶导f′（x）测量L从而得到层厚结果的方法（方法3B）。具体步骤如下：

图5 改进的断层层厚测量方法原理图

1）得到某一斜面结构的多条Profile曲线的均值，见图 5（ a）及下式：

式中n为所用Profile曲线的条数，即样本量。

2）求f（x）的一阶导，见图5（b）及下式：

3）寻找 f′（ x）的极大值和极小值，得到极值点坐标（即目标物边缘坐标）从而得到L值。

4）重复1）~3）得到其他斜面结构的L值。

5）利用式（3）得到层厚D的测量结果。

1.4 图像扫描条件

GE DISCOVERY MR 750磁共振成像设备，测试时采用常规 SE 序列：TR=600ms，TE=15ms，FOV=25 cm×25 cm，矩阵=256×256，NEX=2，标称扫描层厚=5mm。

2 实验结果

利用1.4中所述的扫描条件，分别扫描Magphan体模6次，得到用于层厚测试的图像，其中一次的扫描结果见图6中上、下、左、右4个黑色条块。方法1、方法2和方法3背景一致和不一致两种情形的层厚测量结果（平均值±标准差SD）、图像均匀性测量方法[8]得到的图像均匀性结果及不同层厚测量方法的单因素方差分析结果（F值）见表1。图7是利用方法2进行层厚测量的结果。图8是利用方法3进行层厚测量的结果（6条Profile曲线的均值）。

图6 Magphan SMR170体模均匀层图像

3 分析与讨论

针对灵敏度剖面线两端背景是否一致两种情形，分别采用了方法1、2、3A、3B进行层厚的测量。单因素方差分析的结果F＜F0.99（3，20）=4.94，表明上述4种方法的测量结果无显著性差异，说明改进的层厚测量方法和传统方法均可用于层厚测量。在理想情况下，4种方法的测试结果完全等效。但由实验可看出，在实际应用中，4种方法的SD是存在一定差异的。

表1 在不同情形下3种方法的层厚测试相关结果

图7 方法2单条Profile曲线

图8 方法3多条Profile均值曲线

1）表1显示方法1在背景一致与不一致情形下，SD均为最大，尤其是层厚测试结构图像背景不一致时，SD达到0.41mm。说明通过调节窗宽、窗位，测量层厚误差较大、主观性明显，且测量过程耗时较长。面临Profile曲线两端背景平台不一致情形，测试结果的稳定性差，不确定度较大。

2）方法2采用单条直线的Profile曲线进行测试，测量结果受所选直线及噪声影响较大，有明显的波动（如图7所示）。特别地，针对灵敏度剖面线两端背景不一致的情形，方法2测试结果中的SD由0.06mm增加到0.46 mm。目前厂家MRI设备配备的Profile曲线功能多数都是仅给出曲线图，半高宽位置需要人为主观介入进行测量，因此与方法1相比较，方法2测量层厚结果的准确性、客观性和测量速度有一定程度的提高。如果方法2在程序上实现自动测量，可进一步降低主观性并提高速度。当方法2面临Profile曲线两端背景不一致的情形，半高宽位置的确存在一定困难，这增加了方法2测试过程的难度和测量结果的不确定度。永磁MRI系统相对于超导MRI系统，其主要缺点是主磁场低、磁场均匀性差，且匀场技术有限。因此针对永磁MRI系统性能测试时更易出现测试目标背景不一致的情形，利用方法2进行测试会导致SD明显增加，甚至出现层厚测量结果错误。

3）方法3是利用多条平行直线的均值Profile曲线（方法3A）得到层厚，或进一步利用一阶导结果自动寻找目标物边缘进行层厚测试（方法3B）。方法3A在Profile曲线背景一致时的SD为0.02mm，背景不一致时的标准偏差为0.15mm；方法3B在Profile曲线背景一致时的SD为0.01mm，背景不一致时的标准偏差为0.11mm。由此可见多条平行线的利用降低了层厚测量的随机误差，利用一阶导结果自动寻找目标物边缘可进一步降低人为误差、提高测试速度。

4 结束语

Profile曲线背景的一致性受场非均匀性影响较大，而场非均匀性则受到静磁场非均匀性、射频发射和接收的非均匀性及梯度场性能等多种因素的影响。方法3B利用f′（x）的极值点可反映边缘信息这一特点，自动寻找目标点确定L值用于层厚的测量，提高了测试结果的客观性、降低了测试结果的不确定度，使测试结果更加真实可信，尤其是在Profile曲线背景不一致时更易快速准确寻找测试目标两端的边缘点。

目前多数MRI设备均可提供DICOM格式的图像数据，因此通过编程实施方法3的层厚测量方法相对于方法1和方法2的测量更加方便、快捷。

在层厚测量中，方法1简便易行，但是测量误差较大、测量过程耗时；方法2相对于方法1提高了测试结果的客观性和测试速度；方法1和方法2在图像质量较差时测量误差更加明显，测试结果的不确定度也随之增大。当背景一致时使用方法3A进行测量既可提高测量质量又可节省测量时间；当背景不一致时，使用方法3B进行层厚测量效果最佳。方法3相对于方法1和方法2进一步降低了人为误差、方法误差，其测量结果更加真实可靠，结合其他性能参数的测试结果，方法3可更好地评价系统性能。

在进行层厚测量时，为更准确地反映设备的性能，选取合适、有效的测量方法非常必要。方法3提出的利用多条平行线均值的Profile曲线及一阶导自动寻找边缘点的方法实现了层厚的客观、快速、自动测试，降低了人为主观性影响和随机误差，准确性好，抗干扰性强，用于层厚测量与评价更为方便、合理，可更好地反映MRI系统的梯度场、射频场、静磁场等性能的好坏。

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