关于MRI质量控制中ROI对信噪比检测影响的研究

林迪逵，倪萍，陈冲

1.福州大学 电气工程与自动化学院，福建 福州 350116；2.南京军区福州总医院 医学工程科，福建 福州 350025

关于MRI质量控制中ROI对信噪比检测影响的研究

林迪逵1,2，倪萍2，陈冲1

1.福州大学 电气工程与自动化学院，福建 福州 350116；2.南京军区福州总医院 医学工程科，福建 福州 350025

目的针对我国部分地方计量检定规程所规定的MRI图像信噪比（SNR）检测方法，研究感兴趣区域（ROI）比例的变化对信噪比检测结果的影响，旨在提出合适比例的ROI，以提高图像信噪比检测程序的客观性与准确性。方法基于SMR170体模，结合信噪比检测原理，自行研制信噪比自动检测模块；利用该模块准确检测不同ROI下的图像信噪比值，讨论信噪比随ROI的变化趋势。结果ROI的比例变化对信噪比检测结果有显著影响，ROI越大，图像噪声值越大，相应的图像信噪比值越小。其中ROI比例为0～0.15时，信噪比呈迅速的变化趋势；ROI比例为0.60～0.75时，信噪比呈平缓变化趋势。结论建议ROI的选取比例为0.60～0.75之间，有效减小检测者带来的人工测量误差，保证信噪比检测程序的科学性，使检测结果客观反映成像系统性能。

磁共振成像；信噪比；感兴趣区域；图像噪声；检测体模

引言

信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）是磁共振成像（MRI）系统最基本的成像评价参数，一幅磁共振图像只有具备良好的信噪比指标，才可能为临床诊断提供高质量的数据。在MRI质量控制（Quality Control，QC）程序中，对信噪比的检测是一项重要工作，我国各省市实施的地方计量检定规程针对信噪比的检测都提出了具体的执行方式以及评价标准[1-2]。在采用地方计量检定规程中的方法进行图像信噪比检测时，我们发现体模内部感兴趣区域 [Region of Interested，ROI（下文记为ROIphantom）] 的比例对于信噪比检测结果的影响十分显著。为保证MRI质量控制程序的科学性，我们期望提出一个合适的ROIphantom，得以准确评价图像信噪比，使得检测结果客观反映成像设备的质量状况。为此，本文针对部分地方计量检定规程执行的信噪比检测方法，利用自编信噪比自动评价模块，研究ROIphantom对信噪比检测结果的影响，以期为MRI质量控制相关工作的开展提供参考。

1 材料与方法

1.1 设备与参数

检测体模选用Magphan SMR170 MRI性能测试体模，受检设备为Siemens Skyra 3.0T磁共振成像系统。扫描采用自旋回波成像脉冲序列（Spin-Echo，SE），TR=500 ms，TE=30 ms，FOV=24 cm×24 cm，matrix=256×256，激励次数为1次，单层扫描层厚为5 mm，接收带宽为156 Hz/pixel[3]。

1.2 信噪比检测方法

在完成测试体模的定位以及定位像扫描后，对体模各个测试层面的横断位进行扫描（图1）。应当注意，在正式扫描前需将测试体模静置一段时间，等待体模内部均匀溶液充分稳定，避免溶液运动伪影给信噪比的检测结果带来干扰。

扫描完成后选取体模的第二层横断位图像进行信噪比检测。在目标图像的体模成像区域中央选取一个圆形感兴趣区域（ROIphantom），记录该区域内信号强度均值S与信号标准偏差值SD；在体模成像区域外部选取4个小圆形感兴趣区域（ROIair），记录上述4个区域内信号强度均值S'，即为背景信号强度均值（图2）。将上述记录值代入下式计算信噪比：

图1 体模各测试层面的横断位图像

图2 信噪比检测

1.3 信噪比自动检测模块

本文研究目的在于探究ROIphantom大小对信噪比检测结果的影响，实验过程将涉及不同比例ROIphantom的选取以及相应信噪比的计算（本文提及的ROIphantom比例均指ROIphantom面积与体模中心正方形区域面积的比值）。如果检测者采用手动测算的方式进行上述研究，则存在以下问题：① 检测工作量大。重复的ROIphantom选取以及相应的信噪比测算过程都将是一项极其繁琐且耗时的工作；② 检测准确度低。在手动选取ROIphantom过程中，检测者无论是对于ROIphantom圆心位置的确定，还是对于ROIphantom比例的估算，都会存在一定的人为误差，导致检测结果无法准确描述ROIphantom与相应信噪比的关系。

为解决上述问题，本研究拟基于SMR170体模的信噪比检测原理，结合MATLAB平台中的图像处理功能，编写信噪比自动检测模块，实现不同比例ROIphantom的自动选取及相应信噪比的自动检测，取代重复繁琐的手工检测工作，提高检测精度，便于后续质量控制相关工作的开展。

以下为信噪比自动检测的主要图像处理过程（图3）：

（1）图像预处理。在MATLAB平台中绘制目标图像的信号强度三维图（X、Y坐标轴描述像素位置；Z坐标轴表示信号强度）。可以看到体模中央区域信号强度远高于周围背景区域，故进行图像预处理时，选择自动获取阈值的方法进行图像二值化。

（2）选取ROIphantom。选取较大的圆盘结构元素，对上述二值图像进行膨胀处理，去除方形区域边界以及4个柱状支撑；再以稍小的圆盘结构元素进行腐蚀处理，使得圆形高亮区域边界与原图形吻合。获取经上述形态学处理后图像的质心，该质心视为体模横断位图像的圆心，即为圆形ROIphantom的圆心。确定圆心后，可任意选取ROIphantom比例，由于ROIphantom只能在正方形区域内选取，故ROIphantom比例最大可取为0.785。确定ROIphantom面积后，自动测量该面积内信号强度均值S与信号标准偏差值SD。

（3）提取背景区域。将上述经形态学处理后的二值图像取反，使其与原图像相点乘，即可得到周围背景区域图像。找到其中不为零的元素，即为背景区域像素，利用mean函数求得其均值S'，代入信噪比计算公式即可求得图像信噪比[4]。

自动检测模块设计完成后，检验其是否可替代手动检测。调用Siemens Skyra 3.0T 磁共振成像系统某次质量控制图像，分别利用两种方法对若干ROIphantom下的信噪比进行检测，检测结果见表1。

表1 两种方法信噪比检测结果对照

采用统计学方法比较程序测量结果与手动测量结果的差异，得到P＞0.05，差异无统计学意义，则认为设计的信噪比自动检测模块可以取代手动测量方法进行后续实验的研究。

图3 图像处理过程主要步骤

2 结果

使用上述自动检测模块对Siemens Skyra 3.0T 磁共振成像系统连续3个月的质量控制图像进行信噪比检测，表2～4分别给出部分ROIphantom比例下的S、SD与相应的信噪比，图4描述3组实验信噪比随ROIphantom的变化趋势。

图4 三组实验信噪比随ROIphantom的变化趋势

三组试验中，随着ROIphantom比例增大，区域内的信号强度均值无显著变化，而信号强度标准差显著增大，相应的信噪比呈现显著的下降趋势。其中ROI比例为0～0.15时，信噪比下降趋势迅速；ROI比例为0.60～0.75时，信噪比呈平缓变化趋势。

3 讨论

3.1 ROIphantom对信噪比的影响

上文讨论的信噪比检测方法，将噪声定义为体模中央均匀区域信号强度的标准偏差。相对于信号强度均值，噪声值通常较小，并作为分母出现在信噪比的计算公式中，这使得噪声只要出现小范围的波动，就能给信噪比测量结果带来明显的影响。随着ROIphantom的增大，虽然区域内信号强度均值相应增大，但是由于信号强度的离散程度变大，噪声值的增强将更为显著，从而导致图像信噪比呈现明显的下降过程。

实验结果表明，当ROIphantom比例＜0.1时，即ROIphantom面积大约为640 mm2时，信噪比呈迅速的下降趋势，检测者如果在这个比例之内选取ROIphantom，人为误差即使微小，也会引起噪声值显著的变化，扩大了人为误差带来的不利影响。如果不考虑其他因素，仅从检测者操作的角度讨论信噪比检测的客观性，使用该方法检测信噪比时，应避免选取小ROIphantom。本文建议将ROIphantom比例选在0.60～0.75，即ROIphantom面积大约选取为3840～4800 mm2之间。在此范围内，信噪比变化趋于平缓，信噪比不因ROIphantom比例的微小改变而出现突变，检测者对ROIphantom比例的选取误差不会明显改变信噪比检测结果，人为误差将减少到最小，保证检测结果最大程度地反映图像质量以及相应成像系统的状态。

针对信噪比的检测，NEMA等标准也提出了各自的执行方式，各检测方法采用的检测原理或检测步骤都不尽相同。本文所讨论的检测方法由于检测步骤简单、快速，同时检测结果能较全面反映成像系统的性能等原因，在质量控制程序中得到了广泛地应用。但是，该方法信噪比检测结果的客观性很大程度取决于噪声值对系统噪声反映的准确性。理论上，噪声应仅反映成像系统噪声，即成像系统在运行过程中产生的随机、无规则的额外信号，噪声值不会因为ROIphantom的改变而发生规律变化。但上述方法的噪声值不能充分代表随机噪声，原因在于ROIphantom同时将非均匀性、伪影等结构噪声选择上，提取的噪声不仅包括了系统噪声，而且还反映了其他系统性能，如主磁场的均匀性、RF激发的均匀性等[5]。因此利用该方法检测信噪比不是对成像系统信噪比的真实反映，而是对多种因素的综合反映。上述实验3的信号均值相对于其他两组实验并无显著差异，但噪声值明显较大，我们认为此时图像均匀度差可能是导致较大噪声值的主要因素。经过对3组质控图像进行均匀性检测，得到实验3的均匀度为90.1%，低于实验1的92.8%以及实验2的92.3%，说明实验3图像信号强度的离散程度偏大，导致噪声值处于较高的水平，从而证实了上述分析。我们认为，在质量控制过程中如果将成像设备伪影、系统稳定性、图像均匀度等诸多成像因素考虑在内，上述方法并不是一种普遍适用的信噪比检测法。当图像的均匀度处于较低的水平时，上述方法的检测结果对成像系统真实信噪比的反映将出现较大偏差，此时我们建议使用NEMA标准提出的两幅图像相减法来检测图像的信噪比，由于两幅图像法对于均匀度的变化不敏感，检测结果能更为客观地描述成像设备本身的信噪比。但相对于上述方法，两幅图像法对成像系统的稳定性提出了更高的要求。综上所述，在实际质量控制程序中，应充分考虑成像系统的诸多成像因素，选择合适的检测方法，使检测结果更全面、更客观地反映成像系统的性能[6-10]。

表2 三组实验部分ROIphantom比例下的S值

表3 三组实验部分ROIphantom比例下的SD值

表4 三组实验部分ROIphantom比例下的信噪比

3.2 保证良好的图像信噪比

信噪比作为MRI最基本的图像质量指标，不仅受磁场强度、体素大小、重复时间、回波时间、反转时间、信号采集次数等的影响，也受到层厚、层间隔、视野大小、矩阵等因素的影响。故在临床应用时需要对上述参数进行适当调整，以保证满意的图像信噪比。在质量控制中如果发现图像信噪比较差或者有较大的起伏，则考虑MRI设备性能方面因素[11-14]：

（1）设备校正。不同的磁共振成像系统具有不同的体系结构。如果发射线圈和接收线圈不是严格正交，可能会有射频场功率从发射线圈泄漏到接收线圈中，接收到的信号幅度会小而噪声变化不大，因此信噪比降低。

（2）线圈调节。使用不同线圈都需要重新调谐MRI设备，使系统处于谐振状态。如调谐不准，信噪比会降低。有的线圈本身灵敏度不好，信噪比也不会高。

（3）射频屏蔽。MRI设备受外界影响较大，如汽车、电视等电器均会对MRI的磁场产生影响。所以MRI设备摆放在屏蔽室内，以减少外界的影响。如果屏蔽效果不好，外界电磁波的干扰会破坏磁场的分布，使得图像产生许多伪影并降低信噪比。对屏蔽室的检测是在MRI安装期间进行，在使用过程中保持屏蔽室的物品符合要求和屏蔽门的卫生及设备电缆走线的准确性。

（4）增益及其他。设备的增益大小直接影响信噪比，如果设备增益太小，信噪比必然会降低。因此一般应保持增益在设备的建议水平。在必要情况下，可适当增加增益以提高信噪比。有其他原因时，应仔细检查MRI设备，进行必要的维修保养，使信噪比达到要求[15-16]。

[1] JJG009(粤)-2008,医用磁共振成像系统(MRI)计量检定规程[S].

[2] JJF(京)30-2002,医用磁共振成像系统(MRI)检测规范[S].

[3] 付丽媛,梁永刚,倪萍,等.3.0T磁共振成像系统的质量控制检测[J].中国医学装备,2016,13(3):25-28.

[4] 赵小川.MATLAB图像处理[M].北京:北京航空航天大学出版社,2014.

[5] 康立丽,林意群,林木炎.MR信噪比一幅图像测量方法与两幅图像测量方法对照研究[J].北京生物医学工程,2004,23(1):5-8.

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[7] Kaufman L,Kramer DM,Crooks LE,et al.Measuring signal-tonoise ratios in MR imaging.[J].Radiology,1989,173(1):265-267.

[8] Gudbjartsson H,Patz S.The rician distribution of noisy mri data[J].Magn Reson Med,1995,34(6):910-914.

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[16] 黄艳图,何超明.磁共振成像信噪比的评价方法[J].磁共振成像,2012,3(2):149-152.

本文编辑 韩淑英

Research on the Effect of Region of Interest on Signal to Noise Ratio Evaluation in MRI Quality Control

LIN Di-kui1,2, NI Ping2, CHEN Chong1
1.College of Electrical Engineering and Automation, Fuzhou University, Fuzhou Fujian 350116, China; 2.Department of Medical Engineering, Fuzhou General Hospital of Nanjing Military Command, Fuzhou Fujian 350025, China

ObjectiveTo research the effect of the change of region of interest (ROI) on the signal to noise ratio (SNR) detection based on the regulation of metrological verif i cation implemented in some areas of China, so as to proposed a suitable proportion of ROI to improve the objectivity and accuracy of the image SNR’s evaluation.MethodsAutomatic evaluation module was developed based on phantom SMR170 and combined with SNR detection principle. SNR with different ROI was evaluated by this module, and SNR trend changing with ROI was discussed.ResultsThe change of ROI had a signif i cant effect on the SNR results. The value of image noise increased with the enlargement of ROI, while SNR of the image reduced accordingly.ConclusionIt is suggested that the selection ratio of ROI is between 0.60 and 0.75, which effectively reduce the artif i cial measurement error and ensure the evaluation result objectively ref l ected the performance of the imaging system.

magnetic resonance imaging; signal to noise ratio; region of interested; image noise; test phantom

R445.2

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.04.018

1674-1633(2017)04-0066-04

2016-10-10

2017-02-08

倪萍，高级工程师，南京军区福州总医院医学工程科主任。

通讯作者邮箱：511091680@qq.com