基于美國放射學院（ACR）標準的醫用磁共振成像系統質量控制檢測及處置界限建立

付麗媛，梁永剛，陳自謙，鐘群，肖慧，許尚文，熊暉，林迪逵

解放軍福州總醫院 a. 醫學影像中心；b. 醫學工程科/福建省醫學裝備管理質量控制中心，福建 福州 350025

引言

醫用磁共振成像系統（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是目前重要的診斷設備之一，其性能的合格與圖像質量關乎疾病的正確診斷與對癥治療，因此做好定期的質量控制檢測對于保證MRI安全性、可靠性及參數準確性非常重要[1-2]。目前國際上比較通用的MRI檢測規范是由美國放射學院（American College of Radiology，ACR）和美國醫學物理學會（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）提出的質控檢測的系列標準。美國醫用MRI設備大都采用ACR標準定期進行質量控制檢測[3]，國內近些年多位教授和他們的學術團隊對MRI常用成像參數和系統性能的測試進行了研究，并制定了醫藥行業標準及地方計量技術規范等[4-6]。國際與國內標準體系的建立為醫用MRI質量控制檢測提供重要參考依據。本研究于2016年4月至2017年7月，采用ACR性能測試模體對西門子Trio 3.0 T MRI進行質量控制檢測，介紹檢測技術及測算方法，展示了檢測結果，并建立處置界限，希望能為MRI常規質量控制檢測的開展提供參考與建議。

1 材料與方法

1.1 環境條件

環境溫度：20℃～22℃，相對濕度：50%～60%，大氣壓力：86.0～106.0 kPa，電源電壓 ：（380±10）V。

1.2 檢測器材及受檢設備

檢測器材為MRI專用ACR模體（美國放射學院研制），可以檢測的主要技術指標有空間分辨率、低對比度分辨率、信噪比（SNR）、圖像均勻性、幾何精度和層厚等。受檢設備為Siemens Trio 3.0 T MRI（德國西門子公司制造），2008年10月投入使用。

1.3 模體的準備、擺位與掃描方法

模體的準備[7-9]：模體在貯存及搬運過程中，在內部檢測部件上有可能會出現氣泡附著，因此需要去除氣泡后才能進行檢測。模體的擺位：將模體穩定放置于相控陣頭線圈中間，其軸與掃描孔的軸平行，用水平儀檢查模體水平后，正確安裝接收線圈。將激光定位燈十字交叉處對準ACR模體的前面的標記“NOSE”處的黑色交叉標志線（圖1），然后將模體送入磁體等中心位置，待模體靜置5 min后，開始進行掃描信息登記及掃描。

圖1 ACR模體的擺位圖

掃描參數：檢測通常采用自旋回波序列。TR=500 ms，TE=20 ms，矩陣=256×256，層厚=5 mm，層間距=5 mm，FOV= 25 cm×25 cm，接收帶寬=20.48 kHz或156 Hz/pixel，激勵采集次數為1次。

掃描方法：先行三平面定位像掃描，然后在矢狀位定位像上確定橫斷位掃描，從模體最下端45o楔形邊相交的頂點到最上端45o楔形邊相交的頂點共掃描11層（圖2），層厚5 mm，層間距5 mm。對應的軸位圖像，見圖3。

圖2 軸位掃描定位及掃描層數圖像

圖3 掃描得到的模體1～11層橫斷位圖像

1.4 質量控制檢測指標測算方法

1.4.1 中心頻率

在ACR模體預掃描階段，MR系統通常會自動確定中心頻率。這些信息一般不在圖像上標明，但經常包含于掃描參數頁中，通過查看掃描參數頁得到中心頻率并記錄。

1.4.2 空間分辨率

軸位圖像第1層，將圖像放大2～4倍，可以看到在空間分辨力檢測模塊上有3對近似于正方形的小孔陣列，從左到右每組小孔的直徑分別是1.1、1.0和0.9 mm（圖4）。左上陣列和右下陣列分別用來評估左—右方向和頂—底方向的分辨力。

1.4.3 低對比度分辨率

本檢測主要是計算所能分辨輪輻的數目總和，軸位圖像第8～11層可以看到每層圖像上有多個小碟片呈放射狀輪輻狀排列，每層包括10條輪輻，每條輪輻由3個碟片組成，在給定的層面內，所有的輪輻具有相同對比度，其對比度依次為1.4%、2.5%、3.6%和5.1%。3 T的MRI設備，一般要求可識別輪輻數達40個，1.5 T的MRI設備，一般要求達36個以上（圖5）。

圖4 ACR模體空間分辨力測量

圖5 低對比度分辨率測量

1.4.4 信噪比

模體軸位圖像第7層，在圖像中央選取至少覆蓋圖像75%以上區域的ROI得到信號平均值；在模體周圍背景區域（頻率編碼方向）選取一個盡可能大的ROI作為“空氣ROI”，這個ROI要避開偽影，并且要盡可能大，以便獲得最合適的背景信號和噪聲的統計值（圖6）。以該區域的信號強度的標準偏差作為噪聲，由公式(1)計算得出圖像的信噪比。

式中，σair：背景區域的信號標準偏差。

圖6 SNR測量圖

1.4.5 圖像均勻性

軸位圖像第6層或第7層，在圖像中選取至少包含中心區域80%模體面積的ROI，通過測量圖像中像素信號的最大值Smax與最小值Smin來計算圖像均勻度（圖7）。由公式(2)計算出整個圖像均勻性。

式中，U∑：均勻度；Smax：所測區域中信號最大值；Smin：所測區域中信號最小值。

圖7 圖像均勻度測量

1.4.6 幾何精度測量

調節合適的窗寬和窗位，采用測距功能，在矢狀位定位像測量體模矢狀位圖像兩邊的長度，在第5層利用測距功能在縱向與橫向通過體模中心測量圓形體模成像區的直徑（圖8）。依據公式(3)計算幾何測量精度。

式中，GD：幾何測量精度；D測：MRI測量值；D真：專用性能體模被測距離的標稱值。

圖8 幾何精度測量圖

1.4.7 層厚

軸位圖像第1層，將圖像放大2～4倍并將層厚測量區域完整顯示，由于測量層厚的斜坡信號比水溶液的信號要低，因此需要大幅度降低窗位并把顯示窗寬調窄使信號坡度有很好的可視性。在每個信號坡度正中勾畫一個矩形ROI（圖9a），分別記下兩個ROI的信號平均值，并求出它們的平均值，該結果近似于斜坡正中的平均信號值。將窗位值設置為所測斜坡正中的平均信號值的一半，調節窗寬，測量斜坡的長度（圖9b），記下測量數據。由公式(4)計算層厚，與層厚設置值比較計算層厚誤差。

式中，T：層厚；L頂：頂信號坡度的長度；L低：底信號坡度的長度。

圖9 ACR模體層厚測量示意圖

1.5 ACR處置界限標準

在MR設備運行狀態良好的情況下，對其中心頻率連續檢測5次，計算均值和標準差。中心頻率的處置界限：3.0 T MR設備的周變化值≤256 Hz；空間分辨率應≤1.0 mm；低對比度分辨率檢測可識別輪輻數為40；信噪比的周變化值范圍為±標準差以內；圖像均勻性為≥82%；幾何精度為D真±2 mm；層厚為（5.0±0.7） mm以內[3]。

2 結果

基于ACR標準對Siemens Trio 3.0 T磁共振成像系統進行5次質量控制檢測，得到的檢測結果見表1，中心頻率均值為（123216843.8±16.71）Hz，處置界限為周變化≤246 Hz；空間分辨率檢測結果均為1.0 mm（左右），1.0 mm（頂底），處置界限應≤1.0 mm；低對比度分辨率可識別輪輻個數為40，處置界限為40；圖像信噪比均值為520.214±56.20，處置界限為周變化±56.20以內；圖像均勻性處置界限≥82%；幾何精度（X方向、Y方向、Z方向）處置界限為D真±2 mm；層厚處置界限為（5.0±0.7）mm以內。根據ACR標準要求，掃描條件為：自旋回波序列，TR=500 ms，TE=20 ms，矩陣=256×256，層厚=5 mm，層間距=5 mm，FOV=25 cm×25 cm，接收帶寬=20.48 kHz或156 Hz/pixel，激勵采集次數為1次的條件下，中心頻率周變化值應≤2 ppm，空間分辨率為1.0 mm或更好，低對比度分辨率可識別輪輻個數為40個，幾何精度為真值±2 mm以內，層厚為（5.0±0.7）mm以內，圖像均勻度為82%或更好，信噪比周變化為±1×基線值的標準差。本系統質量控制檢測結果均在處置界限范圍內，設備運行良好。

3 討論

隨著MRI設備的普及應用，設備在運行過程中存在巨大風險，包括運行安全和數據準確。國外對MRI設備質量控制檢測起步較早，并制定了一系列檢測標準，如AAPM標準、ACR標準及美國電氣制造業協會（National Electrical Manufacturers Association，NEMA）標準等。在美國，由頂尖學者組成的著名的AAPM學會，他們對許多大型高端醫療設備幾乎每日一檢。盡管目前國內對醫用MRI質量控制檢測還處于初級階段，但已經在質控檢測方面提供了積極支持，如制定部分檢測規程，開展部分設備檢測等[10-11]。

MRI系統質量控制檢測項目主要包括中心頻率、空間分辨率、低對比度分辨率、SNR、圖像的均勻性、空間線性和層厚等[12]。MR的中心頻率是反映主磁場狀況的一個重要參數，與主磁場強度成正比，如果中心頻率發生變化，則意味著相應的主磁場發生了變化。因此，中心頻率的變化可間接反映主磁場強度的變化。中心頻率檢測整個過程僅需要幾分鐘便可完成。本研究中心頻率的變化均在處置范圍內。空間分辨率是MRI系統重要的特性之一，是MR圖像對解剖細節的顯示能力。在進行質控檢測中如果發現MRI的空間分辨力有降低，需要對掃描參數進行核對，若參數無誤則考慮磁共振性能可能有所下降，需及時聯系廠家工程師對問題進行處理，以免在使用過程中對患者造成漏誤診[13]。低對比度分辨率表示MRI設備的靈敏程度，成像設備靈敏度高會分辨出弛豫時間比較接近的病變組織與正常組織的差異，不靈敏則會混成一體分辨不出，這對一些中早期病變的診斷很有用。低對比度分辨率受偽影、信噪比和均勻度等多種因素的影響。圖像偽影、信噪比低下及均勻度差均可造成低對比分辨率的降低。低對比度分辨率的檢測主要通過目視其能分辨輪輻的數目總和進行評價，本研究經過檢測得到其可識別輪輻數均為40，達到標準要求。信噪比是MRI最基本的質量參數，它受MR系統線圈調節、射頻屏蔽、成像序列和參數設置等諸多因素的影響，且SNR的高低直接決定圖像質量的好壞，因此定期進行測試是十分必要的[14]。如果計算得到圖像信噪比低導致圖像質量很差，應主要考慮到線圈是否正常、成像序列和參數設置是否合理并優化以及設備是否存在故障等。若為設備故障引起的信噪比降低，應仔細檢查MRI設備，進行必要的維修保養。本研究中信噪比整體比較穩定，未發現有大幅降低的情況，檢測結果達到標準要求。圖像均勻性反映了MRI對模體內同一物質區域的再現能力，理想的圖像均勻性應該為100%，通常對于FOV為25 cm，其整體均勻性應大于82%。當MR主磁場均勻度不好、射頻場不均勻、圖像出現偽影均會影響圖像均勻度。為了得到良好的圖像均勻度，MR工程師需要對設備定期進行保養，清除線圈及孔徑內的金屬異物及殘留的血液及對比劑，對于提高圖像均勻度有重要意義。幾何精度是衡量MR系統圖像變形程度的參數，體現了MRI重現物體幾何尺寸的能力，幾何精度主要受梯度磁場及主磁場均勻度影響，當梯度磁場缺陷使相位編碼和頻率編碼出現誤差，易產生幾何失真，當主磁場均勻度較差會導致線性失真。在進行質控檢測中如果發現圖像有幾何變形，要對掃描參數、靜磁場及梯度磁場進行自查，如有需要可聯系廠家工程師協助處理。層厚是MRI系統的一個重要參數，層厚定義是成像層面靈敏度剖面線的半高全寬度，表示一定厚度的掃描層面，對應一定范圍的頻率帶寬。影響層厚的主要因素有Z方向梯度場的性能、射頻場性能、主磁場均勻性及選層脈沖。在進行質控檢測中如果發現層厚誤差超出范圍，則要對以上因素進行自查，如有需要可聯系廠家工程師協助處理，以免因層厚誤差導致漏診。

表1 Siemens Trio 3.0 T磁共振成像系統質量控制檢測結果

處置界限的建立方法：MRI設備購買安裝并投入使用之后，在良好運行的時間內，首先要通過連續多次測量，建立起設備運行基線，然后根據設備的運行情況由物理師決定質量控制檢測指標的處置界限。設備運行狀態良好的情況下，質量控制檢測指標均圍繞建立的基線波動，如果出現偏離基線較多的情況，就需要對設備的軟硬件進行校正。本研究建立的處置界限均為ACR推薦的處置界限。另外，連續檢測的時間跨度對處置界限建立有影響，如果每周檢測，這樣變化值就會很小，得到的處置界限的范圍會比較窄；如過時間跨度比較大，獲得的處置界限就會比較寬。本研究的時間跨度從一個月到半年，時間跨度較大，所以得到的處置界限也比較寬，但仍然在標準范圍內。

總之，本研究基于ACR標準對MRI的關鍵質量控制參數進行了檢測，介紹了檢測方法，展示了檢測結果，建立了處置界限。希望通過我們的研究，能夠為同行順利開展MRI質量控制檢測提供參考。除此之外，更重要的是持續不斷地進行質量控制檢測，一個有效的質量控制檢測并不會消除設備本身的問題，而是在造成嚴重后果之前可以發現問題。質量問題可能很快或逐漸出現，有些質量的意外變化可以在進行常規臨床工作中檢查出來。但是，更多、更細微的改變只能靠常規質量控制檢測。因此，長期的周期性質量控制檢測，對于確保設備安全運行和參數科學準確具有重要的意義。