基于ACR体模的磁共振层厚自动测量

官能成，倪萍，陈自谦，李威

1.南京军区福州总医院 a.医学工程科；b.医学影像科，福建 福州350025；2.解放军73131部队医院，福建 漳州 363113

基于ACR体模的磁共振层厚自动测量

官能成1a,2，倪萍1a，陈自谦1b，李威1a

1.南京军区福州总医院 a.医学工程科；b.医学影像科，福建 福州350025；2.解放军73131部队医院，福建 漳州 363113

本文设计了基于ACR体模的磁共振层厚自动测量软件，通过分析传统测量的原理，找到了自动测量的方法。结果发现，利用MATLAB图像处理功能可实现层厚的自动测量。该软件的开发是实现磁共振图像质量控制自动评价软件的关键一步，对磁共振质量控制自动评价系统具有重要意义。

磁共振；ACR体模；质量控制；层厚；自动测量

我国磁共振成像设备的引进及其临床应用的开发几乎与国际同步。然而，在国内人们对磁共振质量保证和质量控制的意义认识不够深刻，技术的稳定和图像质量控制得不到保障[1]，临床一线很少有专门从事质量保证和质量控制的工程师，导致设备性能甚至是病人安全无法保证。传统的磁共振质量控制方法费时费力，一般需要半小时以上，其检测结果受到检测者主观因素影响，科学性受到很大限制。传统方法的局限性与磁共振日常工作量的矛盾尤为突出，最终让很多医院不得不放弃磁共振日常质量控制[2]。从事质量控制和区域巡检的工作人员迫切需要磁共振质量控制自动评价分析系统[3-4]，对质量控制图像进行自动评价和分析，可使质量控制工作方便快捷，排除检测者主观臆断。在这种自动评价系统实现过程中，层厚测量过程较为复杂，测量精度要求较高，对图像质量要求最为严格，成为自动评价系统实现的一大难点。本文将给出层厚测量原理和一种自动检测层厚的方法及其改进方法，以期为相关研究者提供设计思路。

1 材料与方法

实验材料：医用磁共振成像设备（型号：Trio Tim 3T，制造商：Siemens）；ACR体模（型号：J7332，制造商：J.M.SPECIALTY PARTS）（直径190 mm，高148 mm，内部填充10 mm氯化镍和75 mm氯化钠溶液）、12通道头矩阵线圈（型号：HEADER，制造商：Siemens）[5]。

实验方法：① 根据ACR指导手册对ACR体模进行正确摆位（图1a）；② 扫描体模定位像可得到体模矢状位图像（图1b）；③ 将扫描参数设定为：T1WI轴位，11层，SE序列，TR=500 ms，TE=20 ms，FOV=25 cm，层厚5 mm，层间隔5 mm，矩阵为256×256，激励次数（NEX）=1，RBW=156 HZ/pixel[6]，并按照图1b所示调整好11层轴位图像位置（图1c）。

图1 实验数据采集过程

扫描结束后得到11层轴位图像，利用第1层图像即可进行层厚的自动评价。

对Siemens 3.0T MR进行5次ACR质控检测，将检测结果分别用自编程序进行层厚测量，同时在SYNGO后处理工作站上用传统人工进行测量，比较测量结果和所用的时间。

2 层厚测量原理与方法

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值（Full Width at Half－Maximum：FWHM）[7]。

2.1 通用方法——半高全宽值

一般利用斜板法信号强度曲线的半高全宽值来确定扫描层厚，其原理见图2。

图2 层厚测量原理示意图

根据图2的示意以及层厚的定义，可以得到层厚计算公式为：

其中，FWHM为成像层面灵敏度剖面线的半高全宽值即层厚；α为斜板与层面的夹角；W为斜板的层厚测量值。

2.2 ACR体模层厚测量原理及方法

磁共振成像系统尚未有国际通用的质量控制标准，国内常用的质量控制体模有ACR体模和SMR170体模。基于ACR体模进行层厚的传统测量方法是采用两块交叉斜板进行层厚测量，其原理见图3[8]。

图3 ACR体模层厚测量原理示意图

ACR体模中α约为5.71°采用的是计算两交叉斜板测量值近似几何平均数的方法得到层厚，其层厚计算公式为：

其中，L1为ACR体模中上斜板的层厚测量值；L2为ACR体模中下斜板的层厚测量值。

ACR体模利用交叉斜板进行层厚测量相对其他方法更加简单易行、受噪声影响较小，是一种较好的层厚测量方法[9]。利用ACR体模，通过计算两块斜板测量值的几何平均数，还可以很好的减少体模旋转带来的测量误差[10]。

根据ACR指导手册，传统检测方法操作步骤如下：

（1）选择第一层，将图像放大2～4倍，大幅度降低窗位，将显示窗宽调窄并在每个信号坡度正中设置一个矩形感兴趣区域，见图4a。

图4 手动测量层厚示意图

（2）分别记下两个感兴趣区域（ROI）的平均信号值，然后求出他们的平均值，所得的结果近似于斜坡正中的平均信号值，也可以用一个椭圆的感兴趣区代替矩形ROI。

（3）减小窗位到步骤2中计算值的一半，并调节窗宽到合适值。用系统自带的长度测量工具测量斜坡的长度，记下测量数据，见图4b。

（4）根据计算公式得到层厚。层厚测量结果的范围必须是（5.0±0.7）mm。

需要注意的是，进行以上测量时，需确保ROI完全在坡度区域内，不允许覆盖与感兴趣区毗邻的高信号区域。若两个ROI区域测得的信号均值有很大的差别且差异超过20%，则可能是由于其中一个或两个ROI覆盖了斜坡范围以外的区域，此时需要重新划定ROI区域。

2.3 自编软件层厚测量方法

（1）基于ACR体模的层厚测量原理，结合MATLAB 2012b平台中的图像处理功能，在ACR体模扫描图像中截取层厚测量模块，根据相对位置确定ACR体模中交叉斜板所在位置，图5(a)中蓝线即软件识别两斜坡所在位置。

（2）确定斜坡所在位置后，利用MATLAB中improfle函数即可绘制斜坡的信号剖面线，见图5(b)和5(c)。

图5 交叉斜板位置及信号

（3）利用自编软件分别检测两块斜板信号剖面线的半高值所对应两像素的位置，之后分别计算两像素的距离作为其层厚测量值，带入公式即可得到层厚。

2.4 自编软件层厚测量方法改进

磁共振质量控制中几何畸变也是对层厚测量影响较大的因素之一，为此有研究者提出考虑几何畸变的交叉斜面法。即首先确定图像几何畸变，再进行层厚测量，利用几何畸变对测量结果进行修正，最后将修正结果带入交叉斜面计算公式得到层厚[11]。

对层厚测量影响最大的是水平方向上的几何畸变，首先利用自编软件自动获取ACR体模扫描图像中第7层图像，并对体模的水平方向进行自动测量（图6）。

图6 测量体模水平方向的长度

根据体模水平方向长度的测量值，带入几何畸变计算公式即可得到水平方向上的几何畸变：

其中，GD为几何畸变；D真为体模实际长度；D测为图像中体模的测量长度。

得到图像几何畸变后，将几何畸变带入交叉斜面层厚计算公式进行修正，可得到以下公式：

其中，L1为ACR体模中上斜板的层厚测量值；L2为ACR体模中下斜板的层厚测量值；GD为几何畸变。

3 结果与讨论

进行5次实验后，分别利用3种方法对层厚进行测量，实验结果，见表1～2。

表1 三种方法测量所用时间对照（s）

通过上述实验数据，利用秩和检验法可以得出，软件测量方法与手动测量方法在所用时间上具有显著的统计学差异（P＜0.05）；软件改进方法与手动测量方法在所用时间上也具有显著统计学差异（P＜0.05）；软件测量方法与软件改进方法间无明显统计学差异（表1）。

表2 三种方法测量结果对照（mm）

通过上述实验数据，利用秩和检验法可以得出，软件测量层厚与手动测量层厚无显著统计学差异；软件改进法测量层厚与软件测量层厚无明显统计学差异；软件改进法测量层厚与手动测量层厚无明显统计学差异（表2）。

由统计学结果可知，软件方法可以取代手动测量方法进行层厚测量。由于软件改进方法在一定意义上消除了几何畸变对层厚测量的影响，所以能够更为真实的反映实际层厚。

本文基于ACR体模对层厚的自动测量进行了详细的阐述，并结合前人研究，利用MATLAB实现了考虑几何畸变交叉斜面法的自动化测量，为磁共振质量控制自动评价系统的建立提供了建设性意见，希望能对相关研究者有所帮助。本文所介绍的方法也存在以下不足：

（1）考虑几何畸变交叉斜面的自动测量方法，虽然降低了几何畸变以及体模摆位不正对层厚测量的影响，但噪声对层厚测量的影响没有考虑在内。如果需要改进可针对噪声抑制进一步完善层厚自动测量。

（2）此软件基于MATLAB平台，可进行界面设计，也可进行批量数据处理，但在接口方面以及计算速度方面存在不足。研究者若需要系统化开发与应用，建议使用C++平台。

4 结语

磁共振质量控制的自动评价尤其是远程质量控制系统的建立将成为主流，利用自动评价系统一方面能够节约大量时间、人力、物力甚至是财力，另一方面有利于磁共振质量控制的普及并形成规范。层厚自动测量的实现解决了磁共振质量控制自动评价的一个难点，并为其他参数实现自动测量提供了一定的设计思路，对最终实现磁共振自动评价系统具有重要意义。

[1]袁子龙,张照喜,邱建峰,等.基于ACR体模的磁共振射频线圈性能的对比[J].中国医疗设备,2015,30(1):100-103.

[2]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[J].中国医学装备,2014,(10):83-85.

[3]李成,葛剑徽.MRI质量检测图像参数自动评价系统的设计分析[J].医疗卫生装备,2013,34(10):25-34.

[4]江玉柱,井赛,徐桓,等.几种磁共振层厚测量方法探讨[J].中国医疗设备,2013,27(5):30-32.

[5]American College of Radiology.Phantom Test Guidance for the ACR MRI Accreditation Program[M].Reston:American College of Radiology,2005.

[6]Ihalainen T,Sipilä O,Savolainen S.MRI quality control:six imagers studied using eleven unifed image quality parameters[J].Eur Radiol,2004,14(10):1859-1865.

[7]石明国.医学影像技术学影像设备质量控制管理卷[M].北京:人民卫生出版社,2011:118-131

[8]Sewonu A,Hossu G,Felblinger J,et al.An automatic MRI quality control procedure:Multisite reports for slice thickness and geometric accuracy[J].IRBM,2013,34(4–5):300-305.

[9]徐桓,赵庆军,潘世越,等.不同磁共振层厚测试体模与测试方法的比较研究[J].中国医学装备,2013,10(12):42-43.

[10]YY/T 0482-2010,国家食品药品监督管理局.医用成像磁共振设备主要图像质量参数的测定[S].

[11]康立丽,杨绍洲,余晓锷,等.磁共振成像层厚测量技术及其改进[J].中国医学物理学杂志,2001,18(2):83-85.

Automatic Evaluation of MRI Slice Thickness Based on ACR Phantom

This paper designed an automatic evaluation software of MRI slice thickness based on the American Center of Radiology (ACR) phantom.By analyzing traditional measuring principles,the research identified a method for automatic evaluation.The results showed that slice thickness can be automatically evaluated by using MATLAB (matrix laboratory) image processing functions.The development of the software was a critical step in the process of realizing MRI automatic quality control and was of great signifcance to the MRI automatic quality control system.

magnetic resonance imaging;ACR phantom;quality control;slice thickness;automatic evaluation

GUAN Neng-cheng1a,2,NI Ping1a,CHEN Zi-qian1b,LI Wei1a
1.a.Department of Biomedical Engineering;b.Department of Medical Imaging,Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Command,Fuzhou Fujian 350025,China；2.PLA 73131 Army Hospital,Zhangzhou Fujian 363113,China

R445.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2016.04.007

1674-1633(2016)04-0036-04

2015-09-30

2015-11-26基金项目：军事医学计量专项课题（2011－JL2－014）。

倪萍，主任，高级工程师，研究方向：磁共振成像质量控制。

本文作者：官能成，73131部队医院技师。

通讯作者邮箱：511091680@qq.com