磁共振成像系统质量控制检测及处置界限建立*

付丽媛 梁永刚 陈自谦* 钟 群 肖 慧 许尚文 陈 坚 熊 晖 林迪逵

磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)系统作为医院大型医学影像设备的主体组成部分，对疾病诊断具有非常重要的意义[1]。为了得到科学、准确及可靠的数据和优质图像，必须对MRI系统进行定期质量控制检测，通过质量控制检测可确保影像设备参数准确，安全良好运行[2]。基于此，本研究于2016年1月至2017年7月，采用Magphan SMR 170性能测试体模对西门子Skyra 3.0T型MRI进行质量控制检测，运用检测技术与测算方法，得到检测结果并建立处置界限，从而实现对MRI设备的长期监测，为开展MRI系统常规质量控制检测提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 检测环境条件

在MRI系统质量控制检测中，环境温度为(20±2)℃，相对湿度为50%～60%，大气压力为86.0～106.0 kPa，电源电压为(380±10)V。

1.2 体模及受检设备

采用Magphan SMR 170体模(美国体模实验室研制)进行MRI性能测试，可以检测的主要技术指标有：信噪比(signal noise ratio，SNR)、图像均匀性、相位编码伪影、线性度、空间分辨率、低对比度分辨率以及层厚等[3]。受检设备为Siemens Skyra 3.0 T型MRI(德国Siemens公司)，2015年5月投入使用。

1.3 检测方法

1.3.1 体模定位

将体模水平稳定置于扫描床上已装好的头部线圈内，使用水平仪检查水平后，定位灯对准体模中心，然后将体模送入磁体等中心位置，静置5 min后开始进行扫描信息登记及扫描(如图1所示)。

图1 水平仪检查体模摆放水平示意图

1.3.2 扫描参数

采用自旋回波序列扫描，其扫描参数为：重复时间(repetition time，TR)=500 ms，回波时间(echo time，TE)=30 ms，矩阵=256×256，层厚=5 mm，扫描视野(field of view，FOV)=24 cm×24 cm，接收带宽(band width，BW)=20.48 kHz，或156 Hz/pixel，采集次数为1次，不使用并行采集技术及失真校正、强度校正等内部校准技术。

1.3.3 扫描方法

先进行定位像扫描，定位像扫描完毕后将图像拖到查看图像框，从左至右分别为冠状位、矢状位和轴位定位像，然后在此三平面定位像上对自旋回波序列进行轴位扫描层面定位，由上到下依次为1～5层(如图2所示)，所得到的图像由上到下分别如图3所示。

图2 轴位扫描层面定位示意图

图3 扫描所获体模轴位图像

1.4 测算方法

1.4.1 SNR测算

(1)在第2层图像的正方形中心选取9个面积接近且≤2 cm2的小圆形感兴趣区域(region of interest，ROI)，选取位于正方形中心的5号ROI(如图4所示)。

图4 SNR的检测示意图

(2)记录中央区域信号强度(S)，中央区域信号标准偏差(SD)。在整个体模外的4个角画4个小圆形ROI，其面积接近且≤2 cm2，为周围环境区域测量的信号强度，其SNR计算为公式1：

式中S为图像中央区域5号ROI测量的信号强度，S′为周围环境区域测量的信号强度，SD为中央区域5号ROI的信号标准偏差。

1.4.2 图像均匀度

在第2层图像正方形中心选取9个面积接近且≤2 cm2的小圆形ROI，测量各区域的像素平均值，其图像均匀度(U∑)计算为公式2：

式中U∑为均匀度，Smax为所测区域中信号最大值，Smin为所测区域中信号最小值，其值越大，表明图像均匀度越好。

1.4.3 相位编码伪影

在第2层图像正方形中心选取9个面积接近且≤2 cm2的小圆形ROI，测量最边缘区域(即ROI 2、4、6、8)的像素平均值，记为p；再用相同的ROI测量图像4个角上(即ROI 1、3、7、9)的平均值，记为Q；用图像尺寸的75%的矩形ROI测量中心区域的像素平均值，记为R，其相位编码伪影(W)的计算为公式3：

1.4.4 空间线性度

在第3层和第4层图像，测量空间分辨率图像中的小孔间的间距(第3层是交叉方向，第4层是横纵方向)，并与实际的距离比较，其计算为公式4：

式中LR为实际距离，LM为测量距离。

1.4.5 空间分辨率

在第4层图像中测量空间分辨率，将窗宽调到最小，调节窗位使细节显示最清楚，用视觉确定图像中能分辨清楚的最大线对数，即为空间分辨率(如图5所示)。

图5 空间分辨率检测示意图

1.4.6 低对比度分辨率

在第5层图像中同时调整窗宽和窗位，使细节显示最清晰，用视觉确定能分辨清楚的深度最小和直径最小圆孔的像，即为低对比度分辨率，其中有4组圆孔，孔深分别为0.5 mm、0.75 mm、1.0 mm及2.0 mm，每组有3个相同深度的孔，其直径分别为4 mm、6 mm及10 mm(如图6所示)。

图6 低对比度分辨率检测模块示意图

1.4.7 层厚

在第2层图像中，斜置带图像附近选择一个ROI，其像素值是L1；调小窗宽，调高窗位，直到斜置像消失，这时的窗位值就是斜置带图像的最大值L2；将窗位值调到(L1+L2)÷2，测量斜置带图像的宽度，即得到半高宽度(full width at half-maximum，FWHM)。计算层厚T=FWHM×0.25，与层厚设置值比较计算层厚误差。

1.4.8 中心频率

在体模扫描阶段，MR系统通常会自动确定中心频率，通过查看扫描参数页得到中心频率并记录。

1.5 建立处置界限

在MR设备运行状态良好的情况下进行多次连续的质量控制检测，建立运行基线，并根据国内外质量控制检测标准建立处置界限。

处置界限：信噪比应≥100；图像均匀性应≥80%；相位编码伪影应≤10%；空间线性度应≤5%；空间分辨率应≥5 LP/cm；低对比度分辨率应为可分辨直径4 mm、孔深0.5 mm的圆孔；层厚偏差应在±1 mm以内；中心频率周变化≤246 Hz。

2 结果

采用SMR170体模对Siemens Skyra 3.0T型MRI进行了6次质量控制检测，所得检测结果见表1。图像信噪比均值为(156.20±24.46)，处置界限≥100；图像均匀性均＞85%，处置界限≥80%；相位编码伪影均≤10%，处置界限≤10%；空间线性度均≤5%，处置界限≤5%；空间分辨率检测结果均为5 LP/cm，处置界限≥5 LP/cm；低对比度分辨率均为可分辨直径4 mm、孔深0.5 mm的圆孔，处置界限为可分辨直差，就需要及时检测，发现问题并解决问题。本研究中该设备信噪比基线较稳定，未发现有大幅降低的情况，达到标准要求。

表1 Siemens Skyra 3.0 T 磁共振成像系统质量控制检测结果

(2)图像均匀度。描述了MRI系统对体模内同一物质区域的再现能力，是指磁共振所成图像的均匀程度。影响图像均匀度的因素主要有主磁场均匀度、射频场均匀度及伪影等。定期对设备进行保养，清除线圈及孔径内的对比剂及金属异物对于提高图像均匀度有重要意义。本研究中图像均匀度均在85%以上，达到标准要求。

(3)相位编码伪影。在质量控制检测中也十分重要，除化学位移伪影外，多数伪影出现在相位编码方向上。此外，相位编码方向不断累计的相位差也会产生伪影[2，18]。

(4)空间线性度。反映MRI图像的变形程度，影响线性度的主要因素包括梯度磁场非线性和主磁场不均匀性，当产生非线性梯度磁场或者主磁场均匀度较差时会出现线性失真。

(5)空间分辨率。MRI图像对解剖细节的显示能力，采用线对卡方法是比较直观的测量方法，其观察图像中可分辨目标物的线对数(每厘米线对数，LP/cm)[19]。根据规程要求，空间分辨率要≥4 LP/cm。

(6)低对比度分辨率。反映MRI设备的灵敏程度，即MR分辨信号比较接近的病变组织与正常组织的差异的能力。低对比度分辨率的检测主要通过目视确定能分辨清楚的深度最小和直径最小的圆孔的像，本研究经过检测其达到标准要求。

(7)层厚。表示一定厚度的扫描层面，对应一定范围的频率带宽，其定义是成像层面灵敏度剖面线的FWHM。层厚受梯度场的性能、射频场性能及选层脉冲等多种因素影响，这些因素都会导致机器层厚的选择出现误差[2]。若在质量控制检测中发现层厚误差超出范围，则需联系厂商工程师协助处理，以免因层厚径4 mm、孔深0.5 mm的圆孔；层厚偏差均在1 mm以内，处置界限为(5±1)mm以内；中心频率均值为(123243296.3±147.83)Hz，处置界限为周变化≤246 Hz；根据国内外相关检测标准要求[4-7]本系统质量控制检测结果均在处置界限范围内，设备运行良好。

3 讨论

国外较早开展了MRI设备质量控制检测并制定了一系列检测标准，如美国医学物理学家协会(American Association of Physicists in Medicine，AAPM)、美国放射学会(The American College of Radiology，ACR)及美国国家电气制造商协会(National Electrical Manufacturers Association，NEMA)标准等[4，8-10]。在美国由顶尖学者组成的著名AAPM学会，对许多大型高端医疗设备几乎每日一检。

国内MRI设备质量控制检测虽然起步较晚，但已经在质量控制检测方面提供了积极支持，如制定检测规程开展设备检测等，对于推动MRI设备质量控制检测起到了非常积极的作用[11-13]。

MRI设备属于高风险运行设备，需要时刻关注其运行状况，除了观测日常运行环境(如温度、湿度、空气清洁度等)，还要密切关注强磁场安全、超导的低温系统安全、射频能量相关的安全、患者及工作人员的安全等，并定期进行质量控制检测，从源头降低设备运行风险，及时发现设备运行过程中因人为因素造成的问题(如孔径中铁磁性金属造成主磁场均匀度变差、图像均匀度降低等问题)，并解决问题，确保检查数据准确可靠和设备安全良好运行[14]。

3.1 质量控制检测项目

MRI设备日常质量控制检测项目主要包括信噪比、图像的均匀性、相位编码伪影、空间线性、空间分辨力、低对比度分辨率、层厚和中心频率等[15-17]。

(1)信噪比。MRI最基本的质量参数，其高低决定了图像质量的优劣。若图像信噪比低致使图像质量很误差导致漏诊。

(8)中心频率。测量中心频率的变化可用于监测主磁场强度稳定性，不稳的磁场强度将影响信噪比、快速成像序列等。中心频率检测整个过程仅需要数分钟便可完成，本研究中心频率的变化均在处置范围内。

3.2 处置界限的建立

自MRI设备购买安装并投入使用前有一个关键环节：即验收测试。一套完善的验收测试不仅能够保证MRI质量符合生产商提供的技术指标，确保机器的正确安装和有效使用，而且能建立系统性能的初始基线[2]。在设备投入使用后良好运行的时间内，通过连续多次测量，建立起设备运行基线，然后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。设备运行状态良好的情况下，质量控制检测指标均围绕建立的基线波动，如果出现偏离基线较多的情况，就需要对设备的软硬件进行校正。连续检测的时间跨度对处置界限建立有影响[20-21]。本研究历时1～6个月，时间跨度较大，因此得到的处置界限也比较宽。

需要注意的是在测量时也要对测量过程进行质量控制。①设备所处的环境，所测结果必须在一个固定的环境下进行；②体模贮存及搬运过程中会出现气泡附着在内部检测部件上。因此，在扫描前要尽量去除气泡，使其不影响各成像检测层面才能进行检测[22]；③对体模的摆位要标准，以确保图像左右对称。

4 结语

采用Magphan SMR 170体模对MRI的关键质量控制参数进行了性能检测，建立了处置界限，有效保障了设备安全运行和参数科学准确，同时也为后续本项目研究的MRI动态心脏体模及其建立MRI心血管功能成像软件质量控制检测技术规范奠定了基础。