医用磁共振成像系统（MRI）成像原理及其计量参数检测的实验研究

玉碧坚　苏毅

【摘 要】医用磁共振成像系统（MRI）在诊断方面地位日益突出。本文根据医用磁共振成像系统（MRI）成像原理，通过利用测试模体对MRI系统影像质量进行实验研究，对AAPM报告提出的信噪比等有关性能参数的标准进行讨论，为制定检测MRI设备计量性能参数标准提供参考，使制定的检测技术标准更科学、合理和适用。

【关键词】医用磁共振成像系统 计量参数 实验研究

1引言

医用磁共振成像系统（MRI）作为大型医疗设备已在国内外医院广泛使用，在诊断方面地位日益突出。为了保证临床应用诊断的准确性，保护广大患者和医护人员的人身安全，对磁共振影像系统计量参数的检测就显得至关重要。但如何对医用磁共振成像系统进行检定，保证医用磁共振成像（MRI）系统各项性能正常和影像正确，国家目前尚无统一的检定规程或校准规范，因此有必要对医用磁共振成像系统（MRI）影像质量进行实验研究，探讨其成像质量控制的计量检测标准要求。

2成像原理

医用磁共振成像系统（MRI）由磁体、线圈、控制单元、计算机成像系统和诊断床等部分组成。核磁共振成像是随着计算机技术、电子电路技术、超导体技术的发展而迅速发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术。它是利用磁场与射频脉冲使人体组织内自旋运动的氢核（H+）发生振动产生射频信号，经计算机处理而成像的。即作用在样品上有一稳定磁场和一个交变电磁场，去掉电磁场后，处在激发态的核可以跃迁到低能级，辐射出电磁波，同时可以在线圈中感应出电压信号，成为核磁共振信号。人体组织中由于存在大量的水和碳氢化合物而含有大量的氢核，一般用氢核得到的信号比其他核大1000倍以上。人体内器官和组织中的水分并不相同，很多疾病的病理过程会导致水分形态的变化，使得正常组织与病变组织的电压信号不同，结合电子计算机断层扫描（CT）技术，可以得到人体组织的任意断面图像，尤其对软组织的病变诊断，更显示了它的优点，病变部位非常敏感，图像也很清晰。若将核磁共振的频率变数增加到两个或多个，可以实现二维或多维核磁共振，从而获得比一维核磁共振更多的信息。

3实验研究

3.1实验设备和方法

选磁共振性能模体：美国体模实验室（ne Phanto Laboratory）制造的Magphan体模，符合美国医学物理学家协会AAPM Report NO.100，2010的技术要求，能够满足磁共振的轴向面、冠状面、矢状面图形性能的检测。性能模体中注入的CuSO4溶液的浓度为110g/L。

磁场强度计：分辨力为0.1mT，最大允许误差不超过被检对象的三分之一。

选取40台MRI设备（其场强、生产厂家、型号、安装日期如表1），用上述检测设备进行性能参数检测，对检测结果进行统计分析，根据分析的结果，对AAPM报告提出的有关性能参数的标准进行评价，为制定MRI设备计量性能参数标准提供参考。

按照AAPM推荐的方法和模体说明书的方法进行测试，检测的性能参数为信噪比、均匀度、线性度误差（畸变）、层厚误差、空间分辨力和低对比度分辨力。首先对各项性能参数按场强大小进行分组，研究各项性能参数与场强的关系，然后对均匀度、线性度误差（畸变）、层厚误差、空间分辨力和低对比度分辨力按其大小进行分组，研究各项性能参数的分布特点。

3.2实验结果和分析

3.2.1信噪比

全部设备按场强分成4组，第一组场强<0.5T，为低场强；第二组场强为0.5T～0.9T；第三组场强为1.0T～1.5T；第四组场强≥1.5T。表2为4组场强下的信噪比最大值、最小值、极差和平均值。不同组信噪比平均值差别较大，而且明显随着场强的增加而增加。

3.2.2均匀度

均匀度按场强分组，各组间均匀度不存在显著差别，见表3。

设备若按均匀度分组，每组台数和百分比如表4。97.5%以上的设备均匀度在94%以上，100%设备均匀度在90%以上。

3.2.3线性度误差（畸变）

X方向线性度误差（畸变）按场强分组，各组的X方向线性度误差平均值不存在显著差别，见表5。

设备若按X方向线性度误差（畸变）分组，每组台数和百分比如表6。97.5%以上的设备X方向线性度误差（畸变）在5%以下，2.5%设备X方向线性度误差（畸变）超过5%。

Y方向线性度误差（畸变）按场强分组，各组的Y方向线性度误差平均值不存在显著差别，见表7。若按Y方向线性度误差分组，每组台数和百分比如表8。97.5%以上的设备Y方向线性度误差（畸变）在1.5%以下，100%设备Y方向线性度误差（畸变）在3.5%以下。

3.2.4层厚误差

因为有些设备斜线像的信号太弱和有些设备无Profile功能，所以有8台设备的层厚无法测量。对已测量层厚的32台设备按场强分组，各组的层厚误差不存在显著差别，见表9。

若按层厚误差大小分组，每组台数和所占百分比如表10。90%以上的设备层厚误差在1.0mm以下，10%设备层厚误差超过1mm。

3.2.5空间分辨力

因为设备空间分辨力最高等于像素的大小，在空间分辨力的测量中FOV取256mm，像素矩阵取256x256，像素等于1mm，所以设备的最高空间分辨力等于1mm。按场强分组结果，各组的空间分辨力不存在显著差别，见表11。

在40台设备中空间分辨力1mm的设备占80%，空间分辨力1.25mm的设备占20%，

3.2.6低对比度分辨力

按场强分组，低对比度分辨力与场强有关，如表12。场强等于和高于0.5T的设备均能分辨出Φ4mm/深0.5mm的孔，在场强低于0.5T的设备中，低对比度分辨力为Φ4mm/深0.5mm的设备占83%，Φ6mm/深0.5mm的设备占17%

4讨论

AAPM 100号报告提出的MRI临床应用性能的标准，是对各厂家和型号设备均适用的质量保证标准。根据不同生产厂家，不同场强的40台MRI设备检测结果的统计分析，对有关标准做出以下评价：

4.1信噪比与场强有关

40台MRI设备的场强分成以下4组：<0.5T、0.5T～0.9T、1.0T～1.5和≥1.5T。每组信噪比平均值随场强增加，分别为77、112、194和270。AAPM报告没有提出信噪比的标准，如果要规定信噪比标准的话，不同场强必须采取不同的标准。

4.2均匀度与场强无关

在40台MRI设备中，100%的设备均匀度在90%以上。AAPM报告建议的均匀度标准是80%，从实验检测的结果来看，此标准太低。随着MRI技术的进步和设备性能的提高，该项性能已普遍提高。

4.3线性度误差（畸变）与场强无关

在40台MRI设备中97.5%的设备X方向线性度误差在5%以下，Y方向线性度误差在1.5%以下。AAPM报告建议的线性度误差标准是5%，从检测的结果来看该标准比较合适。

4.4层厚误差与场强无关

在已测层厚的32台设备中，90%的设备层厚误差在1.0mm以下，10%的设备层厚误差超过1.0mm。AAPM报告推出的层厚误差标准是±1mm，从检测的结果来看该标准也比较合适。

4.5空间分辨力与场强无关

AAPM报告推出的空间分辨力标准是1mm。这是理想的空间分辨力，从检测的结果来看只有79.4%的设备能达到这一标准，尚有20.6%的设备达不到。该标准作为质量保证的标准尚可，但作为临床应用质量的标准太高，按此标准，将有一部分设备临床应用质量不合格。

4.6低对比度分辨力与场强有关

AAPM报告提出的MRI设备性能参数中没有此项，但我们认为此项参数不可缺少。因为低对比度分辨力不同于空间分辨力，后者是在高对比度条件下对目标的分辨能力，前者是在低对比度条件下对目标的分辨能力，两者都是与临床诊断质量直接相关的性能参数。低对比度分辨力是可以用特殊设计的体模定量检测的，从实验检测的结果来看，低对比度分辨力与场强有关，场强等于或高于0.5T的设备均可分辨Φ4mm/深0.5mm的孔，场强低于0.5T的设备中，83%的设备可分辨Φ4mm/深0.5mm的孔，17%的设备可分辨Φ6mm/深0.5mm的孔。因此低对比度分辨力标准应根据不同的场强制定。

5结语

根据以上MRI系统成像质量实验研究讨论分析说明，在制定医用磁共振成像系统（MRI）的计量性能参数标准时，由于信噪比和低对比度分辨力均与场强有关，应慎重考虑根据不同的场强制定相应标准，使制定的检测技术标准更科学、合理和适用。

参考文献：

[1]AAPM Report No.100，2010 磁共振成像设备的试验和质量保证程序（Acceptance Testing and Quality Assurance for Magnetic Resonance Imaging Facilities）[S].