Stability tests and action limits setting for central frequency and transmitter gain of MRI scanners

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(1.Department of Radiology, Beijing Friendship Hospital, Capital Medical University,Beijing 100050, China; 2.College of Information Engineering,China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Stability tests and action limits setting for central frequency and transmitter gain of MRI scanners

YINHongxia1,YANGPingping2,LIUYawen2,ZHONGZhaohui1,ZHUJianming2,YANGZhenghan1,WANGZhenchang1*

(1.DepartmentofRadiology,BeijingFriendshipHospital,CapitalMedicalUniversity,Beijing100050,China; 2.CollegeofInformationEngineering,ChinaJiliangUniversity,Hangzhou310018,China)

Objective To test the central frequency (CF) and transmitter gain(TG) of MRI scanners, and set up their action limits. Methods Three different MRI devices (GE 3.0T HD, GE 1.5T HDi and GE 3.0T 750W) were tested by scanning American College of Radiology (ACR) phantom with the axial T1WI series. In the pre-scanning of T1WI series for the ACR phantom, the CF and TG were recorded. It was tested for eight times when MRI scanners were in good condition. The action limits of CF and TG were calculated based on mean values and standard deviations. Results The mean values of CF for three devices were (127 725 772.38±39.68)Hz, (63 875 740.13±34.15)Hz, and (127 771 958.38±12.19)Hz, respectively. Their action limits were ≤119.04 Hz, ≤68.30 Hz, and ≤36.57 Hz, respectively. The mean values of TG for three devices were (125.25±1.28)dB, (101.75±1.98)dB, and (113.25±0.89)dB, respectively. Their action limits were (125.25±2.56)dB, (101.75±3.96)dB, and (113.25±1.78)dB, respectively. Conclusion The CF and TG for three MRI scanners are all consistent with the action limits in this study. The CF and TG action limits will provide criterions for the clinical quality control.

Central frequency; Transmitter gain; Quality control; Action limits

自1980年第一台全身MRI设备投入临床应用以来，MRI技术在医学影像中占有越来越重要的地位。在临床应用中，为获得高质量的医学图像，必须有相应的临床质量控制流程，以保证MRI设备在最佳状态运行。因此，MRI设备质量控制成为放射科的重要工作之一[1-4]。美国医学物理学会(American Association of Physicists in Medicine, AAPM)和美国放射学会(American College of Radiology, ACR)等机构对MRI设备临床质量控制提出了一系列标准化流程和技术规范，其中中心频率和发射增益是临床质量控制的重要检测指标[5-8]。本文对本院3台MRI设备的中心频率和发射增益进行稳定性检测，并建立其处置界限，为临床质量控制提供检测标准。

1 材料与方法

1.1设备与材料 MRI设备1为GE 3.0T HD(2006年装机)，MRI设备2为GE 1.5T HDi(2012年装机)，MRI设备3为GE 3.0T 750W(2016年装机)；正交鸟笼头线圈；ACR模体(型号J12731，制造商J.M.SPECIALTY PARTS，SAN DIEGO, CA)，直径190 mm，高148 mm，内部填充10 mmol/L的氯化镍溶液和75 mmol/L的氯化钠溶液。

1.2方法与参数 将ACR模体正确摆放于正交鸟笼头线圈内，行三维定位扫描。后扫描轴位T1WI序列，扫描层数为11层，第1层和第11层的扫描线分别对应于矢状定位图像中心层面的2个45°楔形夹角处(图1)，定位中心层面出现45°楔形夹角提示轴位定位精准，如中心层上下只出现一半楔形图，提示模体放置不正，应重新摆位。扫描参数：SE序列，TR 500 ms，TE 20 ms，NEX 1，层厚5 mm，层间距5 mm，FOV 25 cm×25 cm，矩阵256×256。

预扫描阶段，中心频率和发射增益会在扫描界面直接显示；序列扫描结束后，可在图像浏览界面打开Series Textpage进行回溯查看，记录中心频率和发射增益。

1.3建立处置界限 在3台MRI设备运行状态良好情况下，对每台设备的中心频率和发射增益连续检测8次，计算均值和标准差。中心频率的处置界限：1.5T MRI设备的周变化值范围为≤2×标准差，3.0T MRI设备的周变化值范围为≤3×标准差(3.0T MRI设备的中心频率变化值相对更大)；发射增益的处置界限：均值±2×标准差，且所有处置界限应不低于ACR要求的最低处置界限标准[5]。

2 结果

MRI设备1、2、3的中心频率、发射增益的连续检测结果见表1～3，其中心频率均值分别为 (127 725 772.38±39.68)Hz、(63 875 740.13±34.15)Hz和(127 771 958.38±12.19)Hz，处置界限分别为：周变化值≤119.04 Hz、≤68.30 Hz和≤36.57 Hz。3台MRI设备中心频率的处置界限范围均比ACR的最低要求范围窄；且所有设备中心频率变化范围均在处置界限范围内，设备运行良好。

MRI设备1、2、3的发射增益均值分别为 (125.25±1.28)dB、(101.75±1.98)dB和(113.25±0.89)dB，其处置界限分别为(125.25±2.56)dB、(101.75±3.96)dB和(113.25±1.78)dB。3台设备的发射增益变化范围均<5%，均低于ACR要求的变化范围(≤10%)；每台设备的发射增益均稳定，设备运行正常。

表1 设备1中心频率与发射增益检测结果

表2 设备2中心频率与发射增益检测结果

表3 设备3中心频率与发射增益检测结果

图1 轴位T1WI定位图像和扫描层面定位线

3 讨论

磁体是MRI设备的主要硬件之一，稳定的主磁场均匀性是产生优质MR图像的基础。主磁场均匀性分为时间均匀性和空间均匀性[9]。在临床应用中，主磁场均匀性会受外来铁磁性物质、环境温度变化以及随时间漂移等因素的影响，导致信噪比下降、脂肪抑制不均匀等图像质量问题。因此，及时发现主磁场均匀性的变化是MRI设备临床质量控制工作的重要内容。在质量控制过程中，可直接对主磁场空间均匀性进行评估，但由于评估方法操作复杂、费时，一般每季度或每年检测1次[5,10-11]。根据拉莫方程[5,12](ω=γ×B0，ω为中心频率，γ为磁旋比，氢质子的磁旋比约为42.58 MHz/T)可知，中心频率与磁场强度呈正比，如果中心频率发生变化，则提示相对应的主磁场发生了变化。因此，中心频率的变化可间接反映主磁场强度的变化，进而达到评估磁场时间均匀性的目的。在固定序列的预扫描阶段，中心频率的检测与发射增益的检测可同时完成，整个过程只需几分钟。

发射增益是将宏观的纵向磁化矢量偏转90°所需要的功率[5]。在MRI预扫描过程中，中心频率确定后，扫描系统会继续调整射频发射器的发射增益。发射增益的稳定性包括振幅稳定性、频率稳定性和相位稳定性。针对同一个线圈和模体，如果MRI设备运行正常，发射增益应是一个相对稳定的常数。发射增益一旦不稳定将会导致图像伪影出现、信噪比下降或图像均匀性下降等问题[13]。高质量的快速成像序列，如快速回波序列和EPI序列等，尤其需要发射增益的稳定。

由于MRI设备生产、安装过程中不可控因素及环境温度等影响，每台设备中心频率和发射增益的正常值和变化范围存在差异。为确保MRI设备运行状态保持最佳性能并及时发现设备运行中出现的问题，在中心频率和发射增益的临床质量控制工作开始前，需为每台设备的指标建立合适的处置界限。处置界限用于描述设备处于高性能状态时各指标的正常值范围[5]。中心频率随时间变化而呈缓慢衰减的趋势，在检测过程中，只能考察其变化率。根据ACR推荐的方法，临床质量控制检测周期为1周时，其处置界限通常用当前周与前一周测量值的差值表示，单位以百万分率(parts per million, ppm)或赫兹(Hz)表示[5]。根据公式(Δ=B0×42.58MHz/T×1.5ppm)进行Hz和ppm的换算，获得中心频率在1.5T MRI设备的周变化值为≤96 Hz，在3.0T MRI设备的周变化值≤192 Hz。发射增益相对稳定，其处置界限为以均值为中心的变化范围，通常以对数表示，单位是分贝(dB)[5]。ACR推荐为每台MRI设备建立的个体化处置界限不应低于ACR的最低要求，即发射增益的波动范围<10%，中心频率周变化值≤1.5 ppm[5]。

中心频率处置界限的建立方法：在MRI设备运行良好的一段时间内，进行连续多次测量，用多次测量值的几倍标准差表示；倍数选择一般为2～4倍，需要根据设备的状态由负责质量控制的物理师决定[5]。在此过程中，连续测量的时间跨度对结果影响很大。在确定标准差倍数后，如果时间跨度很小，如1周之内，每日测量的中心频率变化值可能很小，其标准差就很小，获得的处置界限范围就很窄。当时间跨度很大时，中心频率的衰减范围可能已经很大，其标准差就变大，获得的处置界限范围就很宽。ACR发布的《磁共振质量控制手册》推荐的时间是10天[5]；AAPM等学术会议的报告中，美国多个研究中心物理师分享的经验在时间跨度上也不同，一般可选择20天到1个月的时间。笔者通过近3个月的实践，发现每台设备在1～2个月的时间跨度内，其中心频率的变化率较小。因此，笔者选择1～2个月的时间跨度建立中心频率的处置界限(每周变化率)。在中心频率处置界限建立过程中，时间跨度和标准差倍数选择有较大的自由度，对工作人员的操作经验有很高的要求。ACR推荐应由医学物理师完成该工作[5]。由于实践经验有限，笔者为3台设备中心频率建立的处置界限，有待在今后的质量控制工作中进行检验，并不断更新。

在中心频率的质量控制过程中，模体摆放需位于磁体中心位置；每次测量需要采用相同的序列和参数。如发现测量值超出处置界限，应先确认模体摆放正确，然后再进行重复检测。如重复检测后，中心频率仍然超出标准，应与设备工程师或医学物理师联系，查找原因。造成中心频率变化异常的主要原因有超导性能下降、外部铁磁性物质引起匀场线圈变化或环境温度影响等[5]。因此，在发生环境温度变化、重大维修或升级后，需要重新建立中心频率的处置界限。

发射增益是反映射频发射硬件工作状态的重要性能指标。在MR预扫描阶段，扫描系统会自动调节射频发射器的增益值，使MR信号可被显示在最大的动态范围内。检测发射增益应该选择偏转角为90°时进行，且每次检测需选择固定的射频线圈、模体和扫描序列。MR设备运行正常的情况下，采用相同的线圈、模体和扫描序列，其测量值应相对稳定。发射增益测量值的单位为对数单位，较小的dB值波动即可反映较大的增益变化。与中心频率相同，不同MRI设备发射增益的正常值范围也不同，在质量控制工作开始之前，需先建立处置界限。发射增益处置界限的建立可与中心频率处置界限的建立同步操作。与中心频率不同，发射增益具有很高的稳定性，连续检测的时间跨度对结果影响不大。在检测模体定位准确的情况下，如果发射增益出现较大的波动，则提示射频系统的某些部件发生异常，包括射频传送过程的损失、射频接收的电子元器件问题以及磁场均匀性下降等。

总之，本文所检测的3台MRI设备的发射增益均具有很好的稳定性，其变化范围均<5%，远优于ACR要求的最低标准(≤10%)；但在今后的工作中，还需要进一步完善和积累经验。

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国家重点研发计划数字诊疗装备研发重点专项(2016YFC0106901)、科技北京百名领军人才培养工程(Z141107001514002)、北京市医管局“使命”人才计划(SML20150101)、北京学者(京人社专家发〔2015〕160号)。

尹红霞(1979—)，女，山东济南人，硕士，工程师。研究方向：磁共振质量控制和成像新技术的应用研究。E-mail: 282496774@qq.com

王振常，首都医科大学附属北京友谊医院放射科，100050。E-mail： cjr.wzhch@vip.163.com

2017-06-08

2017-07-10

MRI设备中心频率和发射增益稳定性检测及处置界限建立

尹红霞1，杨娉娉2，刘雅文2，钟朝辉1，朱建明2，杨正汉1，王振常1*

(1.首都医科大学附属北京友谊医院放射科，北京 100050；2.中国计量大学信息工程学院，杭州 310018)

目的 对3台MRI设备进行中心频率和发射增益的稳定性检测，并建立其处置界限。方法 对本单位3台MRI设备(设备1：GE 3.0T HD；设备2：GE 1.5T HDi；设备3：GE 3.0T 750W)，采用轴位T1WI扫描美国放射学会(ACR)模体。在预扫描阶段记录中心频率和发射增益，在设备运行状态良好的情况下，连续检测中心频率和发射增益8次，计算均值和标准差，建立2个指标的处置界限。结果 设备1、2、3的中心频率均值分别为(127 725 772.38±39.68)Hz、(63 875 740.13±34.15)Hz和(127 771 958.38±12.19)Hz，其处置界限分别为周变化值≤119.04 Hz、≤68.30 Hz和≤36.57 Hz。发射增益均值分别为(125.25±1.28)dB、(101.75±1.98)dB和(113.25±0.89)dB，其处置界限分别为(125.25±2.56)dB、(101.75±3.96)dB和(113.25±1.78)dB。结论 3台MRI设备的中心频率和发射增益检测结果均符合处置界限的要求；处置界限的建立为临床质量控制提供了正常参考值范围。

中心频率；发射增益；质量控制；处置界限

R445.2

A

1003-3289(2017)08-1260-04

10.13929/j.1003-3289.201706054