MRI自动质量评价系统对层厚及几何精度检测可行性研究

周昕，张淳

首都医科大学附属北京地坛医院 医工处，北京 100015

引言

磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，MRI）质量控制是保证设备正常运行、扫描图像符合诊断标准的重要保障[1-2]。随着MRI在医学成像中的广泛应用，对MRI设备质量控制需求日益增加。在1990年代初期，美国放射学院（American College of Radiology，ACR）将每周一次的质量控制协议作为整个MRI认证的一部分，同时美国医学物理师学会也针对MRI发布了一系列测试报告[3]。质量控制协议规定需每周由操作人员对专用测试对象进行扫描与图像测量。此过程需要大量人力与时间投入，然而由于临床工程师与医学物理师的人力缺乏，无法满足临床对MRI设备质量控制的需求[4]。基于此，MRI设备质量控制操作自动化对于满足临床MRI设备的需求很有必要。虽然，国内外对MRI自动质量控制略有报道[5-7]，但对自动和手动两种方式深入的对比分析研究少有涉及。本研究使用MATLAB软件[8-10]对图像进行自动分析，对比分析手动与自动两种测量方式对设备测量结果的关联性，测量参数主要是层厚与几何精度。

1 材料与方法

选取经验丰富的技术人员对我院GE 750w 3.0 T设备进行检测，检测模型为美国放射学会ACR标准体模。在连续20周内，技术人员每周使用正交线圈对ACR头部体模进行扫描，获取质量控制数据。对数据采用两种方式进行处理，即基于MATLAB软件与人工手动测量，分别得到20组数据。为保证扫描过程的可重复性，ACR体模使用体模支架固定，将其放置于正交线圈中，该支架材料与MRI可兼容且无伪影。

1.1 数据采集

扫描序列为自旋回波序列，参数如下：重复时间TR 500 ms，回波时间TE 20 ms，视野FOV 250 mm×250 mm，矩阵256×256，层厚5 mm，层间隔 5 mm，扫描时间为136 s，激励次数NEX=1，接收带宽为156 Hz/pixel，该序列不使用并行采集、校正、滤过等内部校准技术。

扫描方法：将ACR体模水平放置在正交线圈内，其轴与扫描孔轴相平行，为保证结果一致性，每次体模摆位与定位尽量保持一致，待体模进入磁场中心位置时，静止数分钟，开始扫描。先进行三平面定位，后根据矢状定位像进行轴位定位。轴位定位时，根据ACR规定，扫描范围由下端楔形相交顶点开始至上端楔形性交顶点结束，共11层，层厚设置为20 mm（图1）。扫描结束后，利用第一层图像进行层厚测量，几何精度在第五层测量。

图1 矢状定位像及11个轴向切面的位置和图像

1.2 数据测量

1.2.1 自动数据测量

ACR推荐的自动化测量方法是基于MATLAB中图像处理功能实现的。该软件可对图像进行精度测量、边缘检测、分割、过滤等。精确度是评估MRI性能的一个重要指标；边缘检测、分割、过滤对获取图像中感兴趣区（Region of Interest，ROI）很有必要。

1.2.2 手动数据测量

（1）层厚测量。层厚是利用插入模型中两个薄的倾斜平行板进行测量的，见图2。根据ACR规范，传统测量方法[11]如下：① 选择第一层，将图像放大2～4倍，调整窗宽窗位，在每个信号正中设置ROI；② 分别记下两个ROI的平均信号值，即为斜坡正中的信号值，也可用一个椭圆ROI替代；③ 减少窗位至步骤②计算值一半，调节窗宽至合适值，此时测量斜坡长度，记下测量数据；④ 按式(1)得到层厚，层厚必须控制在（5±0.7）mm。

（2）几何精度测量。在矢状定位像中，纵向长度代表体模长度，轴位第5层的前后（A/P）和左右（R/L）长度代表体模内径。体模长度与内径理论值分别为148 mm和190 mm。体模长度测量：调节窗宽窗位显示体模矢状位图像，测量体模矢状位两边长度（Z方向），保证直线通过体模中心并垂直于体模上下两边，见图2a。体模内径测量：在轴位第5层图像上，调整窗宽窗位，测量线分别在纵向（Y方向）和水平上（X方向）通过体模中心，记下测量值，如图2b。

图2 ACR模型几何精度、层厚测量示意图

1.3 数据分析

精确度是对层厚、体模内径、体模长度的真实值与测量值差异的评估。通过百分数（%）表示，如式(2)：

变异系数（coefficient of Variation，CV）是对两种数据离散程度的评估。CV等于测量值标准差（Standard Deviation，SD）与平均值的比值，用百分数（%）表示，如式(3)：

1.4 统计学分析

采用SPSS 24.0软件进行统计学分析。层厚、体模长度、体模内径数据以平均值±标准差（±s）显示，比较采用t检验，数据相关性使用线性回归和Pearson相关性分析，P＜0.05表明差异有统计学意义。

2 结果

2.1 不同测量方式层厚与体模几何测量值

自动测量与手动测量方式下，层厚、体模长度、体模内径测量具体数值，见表1。

表1 层厚、体模长轴及内径测量值（mm，±s）

表1 层厚、体模长轴及内径测量值（mm，±s）

测量方式 层厚测量值 长轴测量值 左右内径 前后内径自动测量 4.99±0.04 147.54±0.26 190.04±0.18 190.20±0.36手动测量 5.24±0.23 147.45±0.32 190.05±0.65 190.26±0.89 t值-1.94 0.62-0.14-0.29 P值 0.07 0.52 0.89 0.78

2.2 不同测量方式下层厚与体模几何测量精度

采用自动测量方式进行数据处理时，层厚测量值与真实值（5 mm）的偏差小于0.05 mm，层厚精确度达99.2%。体模长轴测量值与真实值（148 mm）相差（0.46±0.25）mm；左右径与真实值相差（0.14±0.12）mm；前后径与真实值相差（0.30±0.23）mm。体模各测量值的精确度均高于99%。采用手动方式进行数据测量时，层厚测量值与真实值（5 mm）的偏差为0.27 mm，层厚精确度为94.66%。体模长轴测量值与真实值（148 mm）相差（0.64±0.32）mm；左右径与真实值相差（0.48±0.42）mm；前后径与真实值相差（0.73±0.4）mm。不同测量方式下层厚与体模几何精确度结果，见表2。

表2 层厚、体模长轴及内径测量值精确度（%，±s）

表2 层厚、体模长轴及内径测量值精确度（%，±s）

前后径精确度自动测量 99.20±0.39 99.69±0.17 99.92±0.06 99.84±0.13手动测量 94.66±3.93 99.57±0.22 99.74±0.22 99.58±0.24测量方式 层厚精确度长轴精确度左右径精确度

稳定性方面，自动测量方式下层厚的CV值小于1%，体模各测量值的CV小于0.2%；手动测量方式下层厚的CV值为4.39%，体模各值的CV值在0.2%～0.5%之间。CV具体数值，见表3。

表3 层厚、体模长轴及内径测量值CV（%）

2.3 自动与手动测量值间线性关系

图3显示自动与手动测量值的相关性。设备线性回归系数（R2）值高于0.90，pearson相关系数（r）高于0.95，P＜0.05。

图3 厚、体模长轴与内径各测量值（a和b），自动与手动测量值间线性关系（c和d）

总之，经t检验，手动、自动两种测量方式的层厚与体模几何测量值差异无统计学意义（P＞0.05）。稳定性方面，手动测量的CV值约是自动测量CV值的4倍。处理时间方面，手动测量时经验丰富操作人员约30 min，初学者约45 min；自动处理时间不到10 s。因此，自动与手动两种处理结果间无显著差异，且与手动处理相比，自动分析的结果更加稳定，处理速度更快。

3 讨论

MRI设备质量控制是指MRI设备在选购、安装、调试、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标准的技术要求，处在安全、准确、有效的工作状态，发挥设备最优化的各种性能，为临床诊断提供优质图像的系统措施。现阶段，随着MRI设备的进步以及功能影像技术的深入研究，临床对数据图像的客观度量[12-14]以及多中心、跨地区的功能MRI[15-16]需求逐步增加，此时对MRI质量控制和质量保证的要求也逐步提高。

层厚是指成像层面在成像空间第三维方向上的尺寸，表示一定厚度的扫描层面，对应一定范围的频率带宽，即为成像层面灵敏度剖面线的半高全宽值[17]。层厚受多种因素影响，主要有梯度场、静磁场、射频场、选择脉冲、激发脉冲等，这些因素都会导致设备层厚选择出现误差。层厚国家标准为：设置标称层厚在5～10 mm之间，层厚测量值与标称值误差小于±1 mm。本实验手动与自动两种方式测量的层厚误差均在0.5 mm内，达到国家标准要求[18]。

几何精度又称线性度或几何畸变，体现MRI设备再现物体几何尺寸的能力[19]。若图像线性度差，图像发生几何扭曲，则不能真实反映物体的几何形态。MRI产生几何畸变的主要原因是静磁场与梯度磁场的不均匀。静磁场不均匀时，各点共振频率不同，导致线性失真。若梯度场线性度差时，相位编码与频率编码出现误差，产生几何失真[20-21]。国家规定几何变形程度规定：几何畸变率不应大于5%。在本次测试中，设备X、Y和Z三方向的几何精度均达到标准要求，即精确度均大于99.5%。需指出的是，在内径测量时11个层面均可测量，不只局限于第5层，只是在该层面几何精度最佳[22]。研究表明，完整的几何精度评估是在梯度序列下完成，须涉及特定体积内的ROI测量，并将几何变形图呈现[23-24]。因此，今后在几何精度测量方面，可致力于设备质量控制程序的设计与集成，绘制几何变形图像。

在不久将来，将自动质量控制数据处理与存档系统集成在一起，加快可视化质量控制指标的时间过程。此外，为了避免多种设备机型图像质量差异，可在医院所有MRI设备中执行质量控制程序，以此作为多点MRI质量控制研究的开始。

同时，本研究尚存在不足之处：一是MRI质量控制项目有几何精度、层厚、信噪比、空间分辨力和密度分辨力，本文未对后三项进行研究；二是MATLAB软件本身存在较大局限性，在界面编写、文件转换与数据处理运算方面不及VC++。

4 结论

综上，两种测量方式在层厚与几何精度上有很强的相关性，相应P值远远小于0.05，两种方式测量值一致性良好，实验结果与Panych等[25]和Alaya等[5]的结论相一致。与手动检测相比，使用自动测量方式可显著缩短质量控制时间，同时保证了与手动测量的一致性，降低结果的主观性。在MRI质量控制层厚与几何精度分析上，自动分析方式优于手动处理，推荐应用于临床。