MRI斷層層厚測量方法研究

康立麗，張麗媛，楊紹洲

（1.南方醫(yī)科大學生物醫(yī)學工程學院，廣東 廣州 510515；2.南方醫(yī)科大學中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院設(shè)備科，廣東 廣州 510515）

0 引 言

層厚是斷層成像技術(shù)的一項重要性能參數(shù)，對其進行快速、準確測量可以更加準確地評價相關(guān)設(shè)備的性能。對于磁共振成像技術(shù)（magnetic resonance imaging，MRI），斷層層厚的選取是在靜磁場、梯度場、射頻場的配合作用下確定的。通過對相應(yīng)體模成像及斷層層厚的測試可以評價上述3個場的性能。傳統(tǒng)的層厚測量方法是調(diào)節(jié)窗寬、窗位或者是利用設(shè)備自身提供的靈敏度剖面線（Profile）功能測量相關(guān)目標物的尺寸，然后根據(jù)體模具體參數(shù)計算出斷層層厚[1-7]。

目前國內(nèi)的相關(guān)測試多是采用調(diào)節(jié)窗寬、窗位的方法（祥見1.3.1）進行手工測試，測試速度慢、主觀性強、不確定度較大。發(fā)達國家進行斷層影像設(shè)備層厚參數(shù)的測量多采用軟件自動測試，降低了人員手工測試的主觀性。軟件自動測試的原理是測量靈敏度剖面線的最大半高寬（full width at half maximum，F(xiàn)WHM），詳見1.3.2。該方法對于傳統(tǒng)超導MRI設(shè)備適應(yīng)性較好。但是近些年，隨著場強的增加及射頻線圈技術(shù)的發(fā)展，使得利用FWHM進行測試易出現(xiàn)過估計或欠估計的情形，從而導致系統(tǒng)校準錯誤。

為提高層厚測量的準確度及實現(xiàn)層厚非均勻性參數(shù)的測量，需要大量測試結(jié)果[8]，研究準確、快速、穩(wěn)定性好的層厚測試方法及實現(xiàn)軟件自動測量顯得尤為必要?；趯ΜF(xiàn)有層厚測試方法及在測試中遇到的多種情形的分析，為提高測試結(jié)果的準確性、重復性，降低不確定度，提出多靈敏度剖面線平均及利用一階導尋找測試目標物邊界的方法用于層厚測量。

1 原理與方法

1.1 測試工具

常見層厚測試的體模結(jié)構(gòu)有楔形、單一斜面、交叉斜面等構(gòu)造[1-4]。相關(guān)研究工作利用美國體模實驗室的磁共振成像系統(tǒng)測試用Magphan體模，該體模層厚測量結(jié)構(gòu)是利用兩對正交的交叉斜面。交叉斜面結(jié)構(gòu)在斷層掃描下得到的圖像顯示為4個黑色條塊（如圖1所示），斜面結(jié)構(gòu)較寬便于得到更多的測量樣本用于平均[9]。

1.2 層厚測試原理

圖1 正交交叉斜面掃描結(jié)果示意圖

圖2 斷層層厚測量示意圖

圖3 交叉斜面測量層厚原理示意圖

斷層層厚的測量一般是利用斜面結(jié)構(gòu)在圖像中的投影長度進行，再根據(jù)斜面傾斜程度得到斷層層厚。如圖2所示，D是斷層的厚度，斜面結(jié)構(gòu)在斷層掃描圖像上的長度為L，斜面與斷層的夾角為α，層厚D與可由下式得到：

多數(shù)體模給出α（獲得正切值），也有的體模給出的是放大因子M（M=L/D=1/tanα），因此層厚D也可利用下式確定：

利用式（1）或式（2）得到的層厚結(jié)果受擺位誤差影響較大。為減少體模擺位給層厚測量帶來的誤差，對于有交叉斜面結(jié)構(gòu)的體模還可以用下式計算得到斷層層厚[1，3]：

式中：a、b——兩個交叉斜面在圖像上的投影長度（ 即式（ 1）、式（ 2）中的 L）；

θ——兩個斜面的夾角，如圖3所示，θ在體模

設(shè)計、加工時就已經(jīng)固定，不受擺位的影響。

對于MR圖像上斜面投影長度的測量，目前常見的方法有調(diào)節(jié)窗寬、窗位和靈敏度剖面線等。

1.3 層厚測試方法

1.3.1 方法1：調(diào)節(jié)窗寬、窗位方法

通過測量層厚目標物和背景的信號強度確定窗位WL，窗寬WW則設(shè)置為最小窗寬，如下式所示。

式中：S——目標物的最大信號強度；

Sb——背景的信號強度。

在此窗寬、窗位下測量目標物長度L，再根據(jù)式（ 1）~式（ 3）選取方法得到層厚測量結(jié)果[1-5，9]。

1.3.2 方法2：傳統(tǒng)靈敏度剖面線方法

在待測量的目標物上確定直線范圍，得到其靈敏度剖面線（Profile曲線）。如果斜面結(jié)構(gòu)是高信號情形，測量其剖面線的FWHM，即斜面結(jié)構(gòu)在斷層圖像上的投影長度（如圖4所示）；如果斜面結(jié)構(gòu)是低信號情形，則其剖面線是反向的，測量其半高寬度即可。根據(jù)式（ 1）~式（ 3）選取方法得到層厚結(jié)果[1-4，8]。

圖4 利用Profile曲線測量FWHM示意圖

利用Profile曲線方法比調(diào)節(jié)窗寬、窗位的方法測試層厚更加準確，結(jié)果更加可視化，但是每次只能得到一條曲線結(jié)果，難以實現(xiàn)樣本量的平均化。

1.3.3 方法3：改進的方法

在Profile曲線基礎(chǔ)上進一步完善，通過編制相關(guān)程序自動測試MR圖像上相關(guān)測試結(jié)構(gòu)的Profile曲線，例如圖1中正方形結(jié)構(gòu)上、下、左、右4個黑色條塊。針對每個條塊，可同時得到多條平行Profile曲線的均值曲線（如圖5（a）所示），利用該均值曲線測量FWHM得到層厚結(jié)果（方法3A）。

考慮到MR圖像容易受到圖像均勻性和偽影等因素的干擾，其Profile曲線可能會明顯偏離理想狀態(tài)，導致其半高寬很難測量。常見情形是Profile曲線兩邊背景不一致，當背景不一致程度明顯時，不僅對層厚的測量造成很大誤差，而且在臨床上易影響病灶的影像學表現(xiàn)，從而影響診斷結(jié)果，嚴重時導致誤診或漏診。分析利用半高寬測量物體長度的原理，可知理想情況下半高位置對應(yīng)其邊緣。為了更好地提取目標的邊緣測量其長度，利用多樣本平均的Profile曲線f（x），求其一階導f′（x）測量L從而得到層厚結(jié)果的方法（方法3B）。具體步驟如下：

圖5 改進的斷層層厚測量方法原理圖

1）得到某一斜面結(jié)構(gòu)的多條Profile曲線的均值，見圖 5（ a）及下式：

式中n為所用Profile曲線的條數(shù)，即樣本量。

2）求f（x）的一階導，見圖5（b）及下式：

3）尋找 f′（ x）的極大值和極小值，得到極值點坐標（即目標物邊緣坐標）從而得到L值。

4）重復1）~3）得到其他斜面結(jié)構(gòu)的L值。

5）利用式（3）得到層厚D的測量結(jié)果。

1.4 圖像掃描條件

GE DISCOVERY MR 750磁共振成像設(shè)備，測試時采用常規(guī) SE 序列：TR=600ms，TE=15ms，F(xiàn)OV=25 cm×25 cm，矩陣=256×256，NEX=2，標稱掃描層厚=5mm。

2 實驗結(jié)果

利用1.4中所述的掃描條件，分別掃描Magphan體模6次，得到用于層厚測試的圖像，其中一次的掃描結(jié)果見圖6中上、下、左、右4個黑色條塊。方法1、方法2和方法3背景一致和不一致兩種情形的層厚測量結(jié)果（平均值±標準差SD）、圖像均勻性測量方法[8]得到的圖像均勻性結(jié)果及不同層厚測量方法的單因素方差分析結(jié)果（F值）見表1。圖7是利用方法2進行層厚測量的結(jié)果。圖8是利用方法3進行層厚測量的結(jié)果（6條Profile曲線的均值）。

圖6 Magphan SMR170體模均勻?qū)訄D像

3 分析與討論

針對靈敏度剖面線兩端背景是否一致兩種情形，分別采用了方法1、2、3A、3B進行層厚的測量。單因素方差分析的結(jié)果F＜F0.99（3，20）=4.94，表明上述4種方法的測量結(jié)果無顯著性差異，說明改進的層厚測量方法和傳統(tǒng)方法均可用于層厚測量。在理想情況下，4種方法的測試結(jié)果完全等效。但由實驗可看出，在實際應(yīng)用中，4種方法的SD是存在一定差異的。

表1 在不同情形下3種方法的層厚測試相關(guān)結(jié)果

圖7 方法2單條Profile曲線

圖8 方法3多條Profile均值曲線

1）表1顯示方法1在背景一致與不一致情形下，SD均為最大，尤其是層厚測試結(jié)構(gòu)圖像背景不一致時，SD達到0.41mm。說明通過調(diào)節(jié)窗寬、窗位，測量層厚誤差較大、主觀性明顯，且測量過程耗時較長。面臨Profile曲線兩端背景平臺不一致情形，測試結(jié)果的穩(wěn)定性差，不確定度較大。

2）方法2采用單條直線的Profile曲線進行測試，測量結(jié)果受所選直線及噪聲影響較大，有明顯的波動（如圖7所示）。特別地，針對靈敏度剖面線兩端背景不一致的情形，方法2測試結(jié)果中的SD由0.06mm增加到0.46 mm。目前廠家MRI設(shè)備配備的Profile曲線功能多數(shù)都是僅給出曲線圖，半高寬位置需要人為主觀介入進行測量，因此與方法1相比較，方法2測量層厚結(jié)果的準確性、客觀性和測量速度有一定程度的提高。如果方法2在程序上實現(xiàn)自動測量，可進一步降低主觀性并提高速度。當方法2面臨Profile曲線兩端背景不一致的情形，半高寬位置的確存在一定困難，這增加了方法2測試過程的難度和測量結(jié)果的不確定度。永磁MRI系統(tǒng)相對于超導MRI系統(tǒng)，其主要缺點是主磁場低、磁場均勻性差，且勻場技術(shù)有限。因此針對永磁MRI系統(tǒng)性能測試時更易出現(xiàn)測試目標背景不一致的情形，利用方法2進行測試會導致SD明顯增加，甚至出現(xiàn)層厚測量結(jié)果錯誤。

3）方法3是利用多條平行直線的均值Profile曲線（方法3A）得到層厚，或進一步利用一階導結(jié)果自動尋找目標物邊緣進行層厚測試（方法3B）。方法3A在Profile曲線背景一致時的SD為0.02mm，背景不一致時的標準偏差為0.15mm；方法3B在Profile曲線背景一致時的SD為0.01mm，背景不一致時的標準偏差為0.11mm。由此可見多條平行線的利用降低了層厚測量的隨機誤差，利用一階導結(jié)果自動尋找目標物邊緣可進一步降低人為誤差、提高測試速度。

4 結(jié)束語

Profile曲線背景的一致性受場非均勻性影響較大，而場非均勻性則受到靜磁場非均勻性、射頻發(fā)射和接收的非均勻性及梯度場性能等多種因素的影響。方法3B利用f′（x）的極值點可反映邊緣信息這一特點，自動尋找目標點確定L值用于層厚的測量，提高了測試結(jié)果的客觀性、降低了測試結(jié)果的不確定度，使測試結(jié)果更加真實可信，尤其是在Profile曲線背景不一致時更易快速準確尋找測試目標兩端的邊緣點。

目前多數(shù)MRI設(shè)備均可提供DICOM格式的圖像數(shù)據(jù)，因此通過編程實施方法3的層厚測量方法相對于方法1和方法2的測量更加方便、快捷。

在層厚測量中，方法1簡便易行，但是測量誤差較大、測量過程耗時；方法2相對于方法1提高了測試結(jié)果的客觀性和測試速度；方法1和方法2在圖像質(zhì)量較差時測量誤差更加明顯，測試結(jié)果的不確定度也隨之增大。當背景一致時使用方法3A進行測量既可提高測量質(zhì)量又可節(jié)省測量時間；當背景不一致時，使用方法3B進行層厚測量效果最佳。方法3相對于方法1和方法2進一步降低了人為誤差、方法誤差，其測量結(jié)果更加真實可靠，結(jié)合其他性能參數(shù)的測試結(jié)果，方法3可更好地評價系統(tǒng)性能。

在進行層厚測量時，為更準確地反映設(shè)備的性能，選取合適、有效的測量方法非常必要。方法3提出的利用多條平行線均值的Profile曲線及一階導自動尋找邊緣點的方法實現(xiàn)了層厚的客觀、快速、自動測試，降低了人為主觀性影響和隨機誤差，準確性好，抗干擾性強，用于層厚測量與評價更為方便、合理，可更好地反映MRI系統(tǒng)的梯度場、射頻場、靜磁場等性能的好壞。

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