基于ACR体模的磁共振质量控制自动评价系统

官能成，倪 萍，陈自谦

·质控与安全·

基于ACR体模的磁共振质量控制自动评价系统

官能成，倪 萍，陈自谦

目的：设计基于ACR（American College of Radiology，美国放射学会）体模的磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）质量控制自动评价软件。方法：分析图像预处理、图像信噪比、图像均匀性、空间分辨力、低对比度分辨力、空间线性、层厚等几个主要的MRI质量控制参数，找到软件实现方法。结果：基于MATLAB图像处理功能可以实现其主要参数的自动评价。结论：该软件的开发是磁共振质量控制自动评价系统的开端，也是质量控制自动化的重要组成部分。

MRI；ACR体模；MATLAB；质量控制；自动评价

0 引言

与传统影像检查相比，磁共振成像具有软组织显像清晰、可进行功能显像、可在任意方向上切层、没有辐射等特点，在影像诊断中发挥着越来越重要的作用。磁共振设备虽然已经广泛应用，但是基层医院磁共振设备质量控制意识却较薄弱，存在安全隐患[1]。传统的基于ACR（American College Radiology，美国放射学会）体模的磁共振质量控制方法存在2个最主要的问题：（1）检测烦琐、费时，扫描与图像参数分析一般需要30～40 min，既增加了检测人员的工作量，又会耽误患者的正常检查。（2）常规磁共振质量控制中有很多参数都依赖于检测者的主观判断，这样结果的科学性就会受到很大限制。对质量控制有过实际操作的研究者会发现，用ACR体模进行质量控制时真正耗时的不是扫描本身而是数据的处理。若能将体模扫描与数据处理分开，则能大大地缩短质量控制对磁共振设备的占用时间，最大程度地提高效率。基于这一想法并结合总后CT远程质量控制方法，本文将给出磁共振质量控制自动分析评价系统的具体思路以及部分实现步骤[2]。

1 磁共振质量控制现状

磁共振成像系统还没有国际通用的质量控制标准，虽然国内外对磁共振成像质量控制的方法都有所阐述[3-4]，但都没能在实际操作中普及。常用的体模有：（1）符合ACR技术标准的磁共振成像（magnetic resonance imaging，MRI）性能检测体模，简称ACR体模；（2）符合美国医学物理学家协会（American Accademy Pain Medicine，AAPM）技术标准的MRI性能检测体模，简称AAPM体模。目前，美国磁共振设备常用ACR体模检测方法进行检测，该方法也是国内常用的检测方法之一。

2 具体设计思路及部分实现过程

该软件设计是基于MATLAB 2012b平台进行设计编写，可直接对DICOM格式的图像进行读取与处理[5-6]，并且能够详细地获取中心频率、视野（field of view，FOV）、人体特殊吸收率（specific absorption rate，SAR）等重要扫描参数并自动生成Excel报告。软件实现过程如图1所示。

2.1 扫描前的定位与参数选择

体模定位请参照ACR质量控制指导手册[7]，选用头线圈采集。ACR推荐的采集序列是T1WI轴位，11层，SE序列，TR=500 ms，TE=20 ms，FOV=25 cm，层厚为5 mm。层间隔为5 mm，矩阵为256×256，激励次数（NEX）=1，接收带宽（receiver bandwidth，RBW）= 156 Hz/pixel。

图1 自动评价分析软件主程序框图

在整个扫描过程中图像定位是至关重要的一步，有必要可先预扫描一次，利用第5层图像进行二次定位。这样可以更好地保证体模定位的准确性，为质量控制的科学性打下良好基础。其次，在质量控制时必须避开厂家的软件校准，但是部分短磁体设备如果避开厂家失真校正[8]，图像的质量控制根本无法正常进行，这种情况需要打开失真校正再进行质量控制。

2.2 图像预处理

对图像进行预处理并判断其定位是否准确，这一步是对质量控制本身的评价。如果定位准确，就继续处理；如果定位不准确，则提示检测者定位不准确并判断质量控制不合格，省去了不必要的处理过程。最重要的是提示检测者，质量控制不合格的原因可能是图像定位问题，对排除设备故障有所帮助。

2.3 图像信噪比

图像信噪比（signal to noise ratio，SNR）指图像中信号强度与噪声强度的比值。ACR采用信号背景法测量SNR，信号强度为在图像中央覆盖75%的信号区域的信号均值，噪声为周围无伪影背景区域信号强度的标准差。则SNR为

式中，S为图像信号强度的平均值，SD为噪声标准差。标准差计算公式为

式中，Xi为矩阵中对应i位置像素的灰度值，为噪声区域每个像素灰度的平均值。

软件实现如图2所示。

图2 图像信噪比程序流程图

2.4 图像均匀性

图像均匀性是指磁共振成像系统在整个均匀扫描体产生恒定信号的能力。测量图像中包含中心区域80%体模面积像素信号的最大值Smax与最小值Smin，则图像均匀性（U）计算公式为

软件实现如图3所示。

图3 图像均匀性程序流程图

2.5 空间分辨力

空间分辨力是指单个组织体素的大小，反映了图像细节的可辨力。最常用的分辨力测量就是观测评估测量法。这种方法对检测者的影响较大，同一幅图像不同检测者，甚至同一检测者在不同时刻所得到的结果可能会有差别。为避免以上情况，对空间分辨力的检测使用调制传递函数（modulation transfer function，MTF）进行评估。磁共振成像设备在成像方式上与CT、X线机相比有所不同，其MTF的计算也相对更复杂。一般使用边缘扩展函数（edge spread function，ESF）的方法计算MTF，因为利用ESF的方法信噪比相对线和点更大[9]。

MTF可定义为

式中，X为空间位置信息，FT为傅里叶变换，f为空间频率信息，LSF（line spread function）为线扩展函数。线扩展函数定义为

式中，f为空间频率信息，xi为对应矩阵i位置的像素灰度值，xi-1为i-1位置的像素灰度值。其中，ESF可用多项式拟合或者费米函数拟合，有学者研究表明费米函数拟合效果较好[10]，本软件利用三阶费米函数拟合ESF。

费米函数定义为

式中，D为常数，ai、bi、ci为对应系数，xi为对应i位置的像素灰度值。

软件实现如图4所示。

图4 空间分辨力评估程序流程图

2.6 低对比度分辨力

低对比度分辨力是指磁共振成像设备对信号大小相近物体的分辨能力，也反映组织的对比度——载噪比（carrier noise ratio，CNR）[11]。

式中，S1、S2分别是2种组织信号值，SD是噪声标准差的平均值。

ACR检测方法通过轮辐的识别与计数实现。在软件实现时考虑这2种方式同步进行。

软件实现如图5所示。

图5 低对比度分辨力评估程序流程图

2.7 空间线性

空间线性是指描述任何MR系统所产生图像几何形变的能力。几何形变（geometri distortion，GD）可定义为

式中，D真为体模真实长度，D测为体模测量长度。软件实现如图6所示。

图6 空间线性评估程序流程图

2.8 层厚

层厚是指成像层面在成像空间第三维方向上的尺寸，表示一定厚度的扫描层面，对应一定范围的频率带宽，即为成像层面灵敏度剖面线的半高全宽度（full width at half－maximum，FWHM）。

软件实现：软件自动设置阈值时图像成为如图7所示图像，此时需要检测者依照ACR质量控制指导手册利用软件自带测量工具测量上下2个斜坡的长度，将其输入，则软件将自动输出层厚[12]。

图7 层厚评估示意图

层厚计算公式为：式中，T为层厚；L顶为顶信号坡度的长度；L底为底信号坡度的长度。

3 输出报告

将之前所得到的图像质量控制结果输出到Excel中，画出图表形成最终的质量控制报告，如有必要可进行远程传输，实现MRI系统的远程质量控制。对于原始数据可建立相应的数据库，不仅方便存档，还可以进行设备稳定性的相关性研究。

4 讨论

本文基于ACR体模对磁共振质量控制自动评价的实现已经做出非常详细的阐述。在图像定位扫描中提出二次定位，在对部分短磁体设备质量控制时提出打开失真校正，以及最终以Excel报告及数据库的形式输出质量控制结果，这些都是具有一定建设性的意见，希望能对以后的研究者有所帮助。当然，本文介绍的软件还存在以下不足：

（1）MATLAB平台本身存在较大的局限性，在界面编写、文件转换与处理以及运算速度方面均不如VC＋＋，如果以后的研究者希望在这些方面改进可以考虑利用VC＋＋编程实现或者使用混合编程方式实现[13]。

（2）此软件的一些检测方法是基于ACR质量控制指导手册以及磁共振质量控制指导手册，在一些参数评估的算法方面并不能做到很好的科学性，有些仅仅是考虑如何将功能实现，所以还有很大改进空间。例如，在判断体模定位是否准确时阈值的选取以及去除图像伪影部分时阈值的选取，都需要深入研究才更具备科学性。

（3）ACR体模在层厚检测方面对定位要求非常严格，有时即使图像定位准确也较难进行层厚的测量。由于暂时没有一种行之有效的方法自动检测层厚，本软件也没有设计层厚自动检测功能，能做的仅仅是依据ACR检测指导手册半自动检测层厚。

5 结语

在磁共振图像质量控制中，利用自动评价系统既能够保证其结果的科学性，又能节约大量时间，更重要的是对磁共振质量控制的普及有很大推进作用。相比于观测评估法，利用软件自动评价更加容易制定标准并最终形成规范，这对磁共振质量控制的规范化也能起到促进作用。可以说自动评价系统是磁共振质量控制发展的趋势所在。

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（收稿：2014-10-10 修回：2015-02-10）

MRI quality control auto evaluation system based on ACR phantom

GUAN Neng-cheng1,2,NI Ping1,CHEN Zi－qian3
(1.Department of Medical Engineering,Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Area Command,Fuzhou 350025, China;2.School of Biomedical Engineering,the Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China;3.Department of Medical Imaging,Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Area Command,Fuzhou 350025,China)

ObjectiveTo design a MRI quality control auto evaluation software based on ACR phantom.MethodsSome MRI quality control parameters were analyzed to develop the software,including image preprocessing,image signal to noise ratio,image uniformity,spatial resolution,low-contrast resolution,spatial linearity and slice thickness.ResultsThe auto evaluation of the key parameters was implemented based on Matlab image processing.ConclusionThe software lays a foundation for MRI quality control auto evaluation system,and also is an important component of the quality control aumation.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（8）：95-97，112]

MRI;ACR phantom;Matlab;quality control;auto evaluation

R318；TH774

A

1003-8868（2015）08-0095-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.08.095

军事医学计量专项课题（2011－JL2－014）

官能成（1991—），男，研究方向为磁共振质量控制自动评价软件，E-mail：749915312@qq.com。

350025福州，南京军区福州总医院医学工程科（官能成，倪 萍），医学影像科（陈自谦）；710032西安，第四军医大学生物医学工程学院（官能成）

倪 萍，E-mail：511091680@qq.com