磁共振成像系统质量控制检测标准及其评价指标*

梁永刚 付丽媛 陈自谦* 钟 群 肖 慧 许尚文 陈 坚

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)系统是医学影像诊断不可或缺的检查技术之一，其不但可以提供形态学结构信息，又可以提供生物化学及灌注等功能信息，其高级应用可为临床提供更精准的诊断，从而达到精准治疗的目的[1-3]。

为了得到科学准确及可靠的数据和优质的图像，降低设备运行风险，必须对成像系统进行质量控制与质量管理，即对设备的质量控制和质量保证提出要求[4-5]。为此，通过介绍MRI设备质量控制检测标准和技术指标评价体系，探讨质量控制检测技术、标准和评价指标，从而促进MRI设备质量控制工作步入标准化、规范化、科学化和程序化轨道[6]。

1 MRI设备质量控制与质量管理的概念

MRI设备质量控制与质量管理是指在设备的选购、安装、调试及运行的整个过程中严格按照要求进行规范化作业，使设备各项指标和参数符合规定标准的技术要求，使其处于安全、准确及有效的工作状态，最优化地发挥设备的各种性能，为诊断疾病提供优质图像而采取的一系列系统措施[4，7-8]。持续及规范的MRI设备质量控制与质量管理，能够保证设备正常高效运行，进而确保其能为诊断及科学研究提供优质的图像和高质量准确的数据。

2 MRI设备质量控制检测规范与标准

目前，国际上比较通用的MRI检测规范是由美国放射学会(American College of Radiology，ACR)和美国医学物理师协会(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)提出的质量控制检测的系列标准。美国医用MRI设备大都采用ACR标准定期进行质量控制检测[9]。AAPM也规定了MRI设备质量控制检测规范，主要参考ACR标准制定，以及美国电气制造业协会(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)标准等[11-13]。

国内标准包括国家卫生行业标准(WS/T263-2006)“医用磁共振成像(MRI)设备影像质量检测与评价规范”[14]；医药行业标准(YY/T 0482-2010)“医用成像磁共振设备主要图像质量参数的测定”[15]；国家计量技术规范[JJF(京)30-2002]“医用磁共振成像系统(MRI)检测规范”；以及国内其他省市制定的关于磁共振检测规范等的中华人民共和国地方计量技术规范[16-19]。

3 MRI设备质量控制检测评价指标

由于MRI系统构成十分复杂，对整个MRI系统进行全面测试十分困难，故用户仅进行常规参数测试。MRI系统日常质量控制检测项目主要包括中心频率、磁场均匀性、信噪比(signal to noise ratio，SNR)、图像的均匀性、空间线性、空间分辨力、低对比度分辨率和层厚等。

3.1 中心频率

MRI的中心频率是反映主磁场状况的一个重要参数，与主磁场强度成正比，如果中心频率发生变化，则意味着相应的主磁场发生了变化。因此，测量中心频率随时间的变化可用于监测主磁场强度稳定性[20]。理论上，磁场中的氢质子均是以相同的频率进动，其计算为公式1：

式中ω为进动频率，γ为旋磁比，氢质子的γ约为

42 .57 MHz/T，B为主磁场场强。

公式(1)显示，该进动频率与主磁场的场强成正比[21]。中心频率检测整个过程仅需要数分钟便可完成，采用自旋回波序列扫描ACR模体，预扫描阶段MRI系统通常会自动确定中心频率，这些信息一般不在图像上标明，但经常包含于扫描参数页中，通过查看扫描参数页得到中心频率并记录，验收测试时记录的中心频率可作为将来质量控制的基准。根据ACR标准，超导磁体在安装后的1～2个月内可能会出现较大的中心频率漂移(1 ppm/d)，稳定后中心频率漂移每日应＜0.25 ppm，也可根据设备的运行情况，由物理师决定质量控制检测指标的处置界限[22]。

3.2 磁场均匀性

主磁场的均匀度是主磁体最重要的质量标准，通常以主磁场强度的百万分之几数值(ppm)作为磁场强度偏离的单位，越小代表磁场的均匀度越好。主磁场的均匀度测量主要有以下方法[20]。

(1)频谱法。使用磁共振波谱预扫描功能得到中心频谱，测量半高全宽值(full width at half maximum，FWHM)如图1所示。

图1 采用频谱法得到FWHM(Hz)示图

该方法简单易行，可快速评估主磁场均匀性，仅需5 min左右即可完成，适用于可以进行波谱序列扫描的设备，其缺点在于该方法不能对任意平面进行评估，精度不高，同时对0.5 T以下的MRI系统的主磁场均匀性无法评估[23]。

(2)频宽差法。扫描均匀大体积球形水模，利用最小和最大接收带宽引起的图像几何畸变差值来计算磁场强度变化，在相位差图像的每一个像素上，计算得到磁场不均匀值。频宽差值法用于不能提供相位图和频率曲线的MRI设备主磁场均匀度的检测，该方法应用广泛，可用于所有的MRI系统，其缺点在于测量和计算复杂，且易受人为测量过程中视觉误差而引起测量结果出现偏差[23]。

(3)相位法。扫描均匀大体积球形水模，采集两次回波时间(echo time，TE)不同的梯度回波序列(TE1=35 ms，TE2=30 ms)，分别重建出相位图像并相减得到相位差图像。在相位差图像的每一个像素上，计算得到磁场不均匀值[20]。该方法基于梯度回波序列产生的相位图，相位图的相位值可以反映磁场强度变化，去除了引起相位变化的非磁场强度因素。

3.3 信噪比

信噪比是评价图像质量的一个重要指标，其受MRI系统诸多因素的影响，如采集序列、层厚、回波时间、重复时间、激发次数等[4]。

ACR标准信噪比测算方法：在ACR体模轴位第七层图像中央选取75%以上区域的感兴趣区域(region of interest，ROI)得到信号平均值，在体模周围背景区域频率编码方向选取一个尽可能大的ROI作为背景信号和噪声的统计值，图像的SNR计算为公式2：

式中σair为背景区域的信号标准偏差[6-10]。

AAPM推荐信噪比计算为公式3：

式中S为信号平均值，获取方法同上，N为噪声，其值是信号平均值ROI区域的信号标准偏差。

AAPM信噪比计算方法中的噪声包含了随机性热噪声与结构性噪声双重影响，因此会对图像噪声估计过大；ACR信噪比计算方法的噪声降低了结构噪声的影响，但是忽略了被扫描物体自身产生的随机噪声的影响，从而对噪声产生低估[24]。

3.4 图像均匀度

图像均匀度是衡量磁共振图像的重要指标，其描述了MRI系统对物体的再现能力[25]。图像均匀度是比较不同区域信号强度测量值的差异，均匀度计算为公式4：

式中Smax为所测区域中信号最大值，Smin为所测区域中信号最小值。

图像均匀度在0%～100%之间，越大表明图像均匀度越好。近年来随着磁共振技术软硬件发展，图像质量及图像均匀度也大幅度提升，其图像均匀度也越来越好，基本都可以达到国内标准要求。

3.5 线性度

线性度是指图像的几何形状与位置的变形程度，如果扫描得到的图像弯曲变形与几何扭曲，偏离真实的物体结构，表明图像的线性度不佳。影响几何变形的主要因素包括梯度磁场非线性和主磁场不均匀性，越偏离等中心点处主磁场越不均匀，特别是先进的短磁体大孔径设计也会在线圈边缘产生非线性梯度磁场[20]。线性度的测量一般从3个方向测量，即X轴、Y轴和Z轴，利用测距功能在轴位图像，分别在纵向与横向通过体模中心测量圆形体模成像区的直径可得到图像沿X轴和Y轴的尺寸，在体模矢状位定位像测量矢状位图像两边的长度可得到图像沿Z轴的尺寸，其线性度计算为公式5：

式中D0为实际尺寸，D为测量尺寸，测得的几何变形程度一般＜5%。

目前，磁共振设备的梯度与射频技术已经较为成熟，图像的线性度较好。

3.6 空间分辨力与空间分辨率

(1)空间分辨力是指MRI图像对解剖细节的显示能力，其与视野、扫描矩阵和扫描层厚度相关。ACR标准空间分辨率检测是在第1层横截面上，放大图像2～4倍，可以看到在空间分辨力检测模块上有3对近似于正方形的小孔阵列，从左到右每组小孔的直径分别是1.1 mm、1.0 mm和0.9 mm，左上阵列和右下阵列分别用来评估左-右方向和顶-底方向的分辨力(如图2所示)。

图2 ACR模体空间分辨力测量示图

(2)空间分辨率还可采用线对卡方法进行测量，观察图像中可分辨目标物的线对数(每厘米线对数，1 p/cm)，利用线对卡测量较为直观，质控人员可根据需要选择适用测量方法(如图3所示)。空间分辨率高则容易检测出微小的物体，在诊断时不易漏掉微小病灶，避免造成漏诊、误诊。因此，在日常的质量控制检测中，需要重点对此指标进行监测。

图3 采用线对卡方法进行空间分辨率测量示图

3.7 低对比度分辨率

低对比度分辨率的大小反映MRI设备分辨信号大小相近物体的能力，即MRI设备的灵敏程度。ACR标准是计算所能分辨轮辐的数目总和，轴位图像第8～11层可以看到每层图像上有多个小碟片呈放射状轮辐状排列，每层包括10条轮辐，每条轮辐由3个碟片组成，在给定的层面内，所有的轮辐具有相同对比度，其对比度依次为1.4%，2.5%，3.6%和5.1%。3.0T的MRI设备，一般要求可识别轮辐数达40条，1.5T的MRI设备，一般要求轮辐达36条以上[10](如图4所示)。

图4 低对比度分辨率测量可分辨轮辐数示图

采用美国模体实验室的Magphan SMR 170性能测试体模，测试低对比度分辨率是用视觉确定能分辨清楚的深度最小和直径最小的圆孔的像。低对比度分辨率是重要的质量评价参数，对中早期病变的诊断非常有用，早期病变组织与正常组织的弛豫时间比较接近，成像设备灵敏高则会反映出其差异，灵敏度低则分辨不出(如图5所示)。

图5 Magphan SMR 170性能测试体模测试低对比度分辨率图像

3.8 层厚

层厚是MRI系统的一个重要参数，其定义为成像层面灵敏度剖面线的半高全宽度，是指成像面在成像空间第三位方向上的尺寸，表示一定厚度的扫描层面，对应的是一定范围的频率带宽。ACR标准层厚测量方法是在轴位图像第一层，放大并调整窗宽窗位，使用于层厚测量的交叉斜面信号清晰可见，在2个斜面分别测矩形ROI信号强度，并得到均值，将窗位值设置为所测斜坡正中的平均信号值的一半，调节窗宽，测量上、下2个斜坡的长度L1和L2，计算层厚为公式6：

ACR标准要求层厚5 mm的误差≤0.7 mm[10]。采用美国模体实验室的Magphan SMR 170性能测试体模检测层厚是通过测量斜置带图像的宽度，即得到FWHM，计算层厚T(T=FWHM×0.25)，与层厚设置值比较计算层厚误差。标称层厚≥5 mm时，其误差≤±1.0 mm；2 mm≤标称层厚＜5 mm时，其误差≤±0.5 mm。层厚的测算与操作者密切相关，要想保证层厚测量准确，需要有准确的体模位置摆放，否则会因体模摆放角度误差给层厚测量带来误差(如图6所示)。

图6 ACR体模第1层图像

4 展望

MRI系统在日常的临床使用中所需要进行的基本质量测试参数，而未来对于周期性检测中所涉及检测指标评估方法的深入研究，能够帮助临床工程师合理选用测量方法，准确的掌握设备运行状态。本研究主要基于MR静态体模及其质量控制检测标准进行了探讨，一方面保障了MR设备的可靠运行，同时也为后续本项目组研究的MR动态心脏体模及其建立MR心血管功能成像软件质量控制检测技术规范奠定了基础，对于提升MR设备质量控制和安全保障能力有重要的意义。