磁共振射頻線圈單元數對圖像信噪比的影響

金瑋，王龍辰，李斌

上海交通大學附屬第六人民醫院醫學裝備處, 上海 200030

磁共振射頻線圈單元數對圖像信噪比的影響

金瑋，王龍辰，李斌

上海交通大學附屬第六人民醫院醫學裝備處, 上海 200030

在磁共振成像過程中，射頻線圈用來接收信號，對成像的質量起著至關重要的作用。用戶在采購磁共振設備時往往用線圈的通道數和單元數來評價一個線圈的成像能力，而線圈的通道數又必須和系統的接收通道數相匹配，因此一般認為，在系統其他條件一定的情況下，線圈的單元數越多，成像質量越好。本文以Philips Achieva3.0T磁共振為平臺，分別選取了8通道8單元的Sense Head（頭部）線圈和16通道18單元的Sense Neurovascular（神經血管）線圈作為比較對象進行掃描，比較兩者成像的信噪比。另外，選取15通道15單元Sense Spine（全脊柱）線圈，先后用不同數量的采集單元數成像，然后對信噪比進行評價。

磁共振成像儀；射頻線圈；信噪比；頭線圈；神經血管線圈；全脊柱線圈

0 前言

隨著磁共振設備技術的快速發展，磁共振設備的系統配置選擇也由最初的8通道系統逐步發展到16通道甚至32通道系統，隨之而來的是與系統通道數相匹配的線圈的不斷升級和優化。另一方面，并行成像技術也在不斷發展，如今普通的正交線圈由于其通道數和單元數的不足已經不能完全滿足成像的需求。因此，在采購磁共振設備時，用戶往往追求擁有更多接收單元的并行線圈。然而，許多并行線圈并不包含在設備廠商所提供的標準配置當中，更多的時候用戶需要另外購買或者升級更高性能的線圈來獲得更好的圖像質量。本文以圖像的信噪比作為評價標準，比較

了不同單元數線圈采集信號后，形成圖像所產生的信噪比。

1 比較方法

以Philips Achieva3.0T磁共振為測試平臺，采用相同的序列來對2000CC水模（主要成分是濃度為99%的礦物油）進行橫斷位掃描。得到掃描圖像之后進行信噪比測量，常用的測量方法有兩種[1]。本次測量選取感興趣區域ROI，位于水模圖像中心，半徑為水模半徑的90%；另外選取4個同樣形狀的背景噪聲區域，半徑為水模半徑的10%。信噪比的計算按照公式(1)：

其中，S為感興趣區域的平均信號強度，即感興趣區域的平均像素值，單位為1；SD為噪聲信號強度，即4個背景噪聲區域的像素標準差，單位為1。信噪比SNR的單位為1[2]。計算出感興趣區域的SNR之后，再描繪出感興趣區域里選取A-P方向和R-L方向上像素點的信噪比曲線，以此來直觀地評價和分析線圈單元數對圖像信噪比的影響。

2 不同單元數頭線圈的比較

選取Philips公司8通道8單元Sense Head Coil和16通道18單元Sense Neurovascular Coil為比較對象。掃描序列分別采用T1W_FFE序列（FOV: AP=244 mm, RL=213 mm, Slice thickness=5 mm, Slices=24, Slice gap=1 mm, TE=2.3 ms, TR=250 ms, NSA=2）和T2W_TSE序列（FOV: AP=250 mm, RL=198 mm, Slice thickness=4 mm, Slices=30, Slice gap=1 mm, TE=80 ms, TR=3508 ms, NSA=1）。所得到的感興趣區域平均像素值和噪聲區域像素標準差如下。

2.1 T1W_FFE序列

所得到的感興趣區域平均像素值和噪聲區域像素標準差，見表1。

表1 感興趣區域平均像素值和噪聲區域像素標準差感興趣區域SNR Sense Head (8channel)2.041.622.792.281693.25775.83 Sense NV (16channel)2.031.681.712.121939.441028.88噪聲區域A噪聲區域B噪聲區域C噪聲區域D

同時，我們記錄下圖像R-L方向和A-P方向上每一個點的像素值，并以這些像素值為橫坐標，以信噪比大小為縱坐標得到如下關系圖：Sense Head T1W R-L方向信噪比，見圖1；Sense NV T1W R-L方向信噪比，見圖2；Sense Head Coil T1W A-P方向信噪比，見圖3；Sense NV Coil T1W A-P方向信噪比，見圖4。

2.2 T2W_TSE序列

所得到的感興趣區域平均像素值和噪聲區域像素標準差，見表2。

表2 感興趣區域平均像素值和噪聲區域像素標準差

同樣，我們記錄下圖像R-L方向和A-P方向上每一個點的像素值，并以這些像素值為橫坐標，以信噪比大小為縱坐標得到如下關系圖：Sense Head T2W R-L方向信噪比，見圖5；Sense NV T2W R-L方向信噪比，見圖6；Sense Head Coil T2W A-P方向信噪比，見圖7；Sense NV Coil T2W A-P方向信噪比，見圖8。

2.3 分析和討論

通過以上表格中記錄的數值和圖表可以很清楚地看到，由于這兩種線圈均采用了容積式的設計形狀，因此，圖像信號的線性度保持得很好，基本沒有像表面線圈那樣受到接收單元與成像體之間距離變化的影響。另外，不管是在用T1加權序列還是T2加權序列掃描，擁有18個接收單元的Sense NV線圈成像信噪比始終比只有8個接收單元的Sense Head線圈要高40%，在T2加權掃描時兩者之間的差別更加明顯。再觀察圖表上的數值我們發現，盡管Sense NV線圈配置的單元數比Sense Head線圈配置的單元數多兩倍之多，但在信噪比數值上并沒有反映出這樣的差距。當然，這其中可能有選擇掃描序列的參數設置的原因（比如NSA可以取的更大一些增加取樣次數），也可能有選取方向上的原因（選取的是直線方向上的點而非整個ROI區域內的隨機分布點）。但是必須要指出的是，Sense NV線圈雖然經常被用來做常規的頭顱掃描，但是該線圈在神經血管方面的成像能力才是其優勢所在[3-6]。因此，如果用來做一般的頭顱掃描，從以上成像數據來看，跟Sense Head線圈相比，Sense NV線圈在做頭顱常規掃描時其優勢有限。

3 同一全脊柱線圈不同單元數的比較

比較過了不同的線圈之后，選取全脊柱線圈開啟數量不同的接收單元數來進行圖像信噪比的比較。之所以選擇Sense Spine線圈是因為該線圈掃描范圍相當大，是唯一一個可以根據用戶需求手動調節接收單元的線圈。Sense Spine線圈內部一共有5個功率放大器電路板和1個功率輸出電路板，沿Head-Foot方向順序直線排列。相應的，在掃描前用戶在操作界面選擇開啟A-B-C-D-E-F等接收單元，這次我們分別選擇單一開啟E接收單元，D-E雙接收單元和D-E-F三接收單元。掃描區域定位為腰椎，選用的序列為T1W-TSE（FOV: AP=270 mm, RL=270 mm, Slice thickness=4 mm, Slices=9, Slice gap=0.4 mm, TE=8 ms, TR=442 ms, NSA=2）。用之前的測試方法得到的數據如下：

所得到的感興趣區域平均像素值和噪聲區域像素標準差，見表3。

表3 感興趣區域平均像素值和噪聲區域像素標準差

我們記錄下圖像F-H方向上每一個點的像素值，并以這些像素值為橫坐標，以信噪比大小為縱坐標得到如下關系圖：E-element F-H 方向信噪比，見圖9；DE-element F-H 方向信噪比，見圖10；DEF-element F-H 方向信噪比，見圖11。

從SNR的數值上來看，前后3次掃描所得到的圖像在感興趣區域內的信噪比沒有很大的差別。換句話來說，僅采用E-element采集單元與采用DE-element采集單元甚至DEF-element采集單元的信噪比數值，沒有太大差別，這一點在圖上也表現的非常明顯。從以上的對比來看，更多的線圈采集單元數并沒有帶來明顯的信噪比提升。究其原因，由于全脊柱線圈采用的是采集單元直線式排列，更多的采集單元中必然有一些距離我們的感興趣區域更遠，實際上等于擴大了掃描范圍，而更大的范圍往往帶來更多感興趣區域外的噪聲，這樣即使采集到更多的有效信號，但同時也采集到了更多的噪聲信號，于是就不可避免地導致信噪比沒有像我們預想的那樣，隨著并行線圈單元數目的成倍增加而顯著改善。

4 總結

從所繪的曲線來看，不管是Sense Head線圈還是Sense NV線圈，不管是R-L方向還是A-P方向，精確到每個像素點上的信噪比數值連接起來呈一波動幅度很小的直線；脊柱線圈無論采用多少個接收單元，在F-H方向上呈一兩頭低中間高的弧線，越接近圖像中間部分信噪比數值越高。對于不同的頭線圈，配備18單元數的NV線圈成像信噪比要高于8單元的相控陣頭線圈，而脊柱線圈在掃描某一特定部位啟用更多接收單元時的成像信噪比，并沒有明顯優于啟用較少接收單元時的信噪比。

然而，這次對比是在特定的選擇區域內進行的，如果選取更小的感興趣區域，脊柱線圈在采用更多的單元時成像的效果可能會更好，與采用較少單元之間的差距就會比較明顯。另外，在頭顱掃描過程中我們只選取了T1加權和T1加權序列，所設置的參數也考慮到了掃描時間和成像效果之間的平衡，如果采用其他諸如STIR（短時間反轉恢復）、GRE（梯度回波）等序列時得到的數值差異會有所不同，雖然這種差異在這次的對比過程中表現的并不大。

在購置磁共振配套線圈時，用戶往往一味的追求高配置，以得到更好的成像效果。但是廠商在自主研發線圈時的側重點不同，有的偏向于增加性噪比提高圖像質量，有的則偏向于增加掃描范圍。比如Siemens公司的Tim線圈，其一體化的拼接設計使得操作者在改變掃描部位時不必更換整個線圈，給用戶帶來了便利，節約了時間；這樣的設計理念如同Philips公司的全脊柱線圈一樣，堆疊式增加采集單元的確擴大了掃描范圍，但是本質上對圖像信噪比的影響沒有太大改善。

另外，線圈的成像質量不僅決定于硬件配置，線圈本身的設計結構、射頻系統的配置、各系統間的匹配、掃描參數的設定、甚至日常的設備維護都會對成像質量帶來重要的影響。因此，作為用戶，在采購線圈的時候應該結合臨床實際使用的需求明智地選配適合自己的線圈，而不是一味的追求更高的配置參數。

[1] Kaufman L,Kramer DM,Crooks LE,et al.Measuring Signal-to-Noise Ratios in MR Imaging[J].Radiology,1989,173(1): 265-267.

[2] Price RR,Axel L,Morgan T,et al.Quality assurance methods and phantoms for magnetic resonance imaging:report of AAPM nuclear magnetic resonance task group no 1[J].Med Phys,1990, 17(2):287-295.

[3] 王龍辰,李斌,肖云峰,等.基于信噪差分比方法的磁共振射頻線圈在頭顱血管造影中的對比研究[J].中國醫療器械雜志, 2011,(4):256-259.

[4] 朱高杰,李斌,魏小二.基于定量對比方法的磁共振射頻線圈的MatLAB圖形化性能研究[J].中國醫療器械雜志,2010,(3): 180-182.

[5] 朱高杰,李斌,王杰.3.0T磁共振頸部成像中表面線圈和容積線圈性能研究[J].中國醫療設備,2009,(5):18-21.

[6] Bittersohl B,Huang T,Schneider E,et al.High-Resolution MRI of the Triangular Fibro cartilage Complex(TFCC) at3T:Comparison of Surface Coil and Volume Coil[J].Journal of Magnetic Resonance Imaging,2007,26(3):701-707.

Impact of MR Coils Element Numbers on Image Signal to Noise Ratio

JIN Wei, WANG Long-chen,LI Bin
Medical Equipment Department, No.6 People’s Hospital Aff liated to Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200030, China

Radio-frequency (RF) coils are used to receive signals from human bodies during MRI imaging, they are important to the image quality. In the process of purchasing, technicians usually evaluate the imaging quality of RF coils based on their channels and elements numbers. Since the number of coil channels have to be matched with that of MRI system, more elements of RF coils result in better imaging quality under the same condition. In this paper, we chose Philips Achieva3.0T as the platform and compared the signal noise ratios of Sense Head Coil with 8 channels and 8 elements Sense NV coil with 16channels and 18elements. Moreover, we selected 15 channels Sense Spine coil but different number of elements respectively to scan phantoms and evaluate SNR.

MRI; radio-frequency coil; signal noise ratio; sense head coil; sense neurovascular coil; sense spine coil

R445

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.08.038

1674-1633(2012)08-0116-04

2012-03-02

作者郵箱：stlastday@yahoo.cn