磁共振質量控制參數中均勻度檢測方法的對比研究

熊暉，陳自謙，鐘群，許尚文，肖慧，付麗媛，吳劍威，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

磁共振質量控制指的是利用一系列科學合理的方法，在設備驗收及長期使用的過程中對其性能進行周期性查驗，以便發現的異常問題能夠被及時修復，從而確保診斷圖像高質量的綜合技術[1]。如果說質量控制是保證磁共振設備運行良好的重要手段，那么相關參數的檢測則是其實現的主要方式。均勻度（Percent Integral Uniformity，PIU）作為其中一項基本質量控制參數，表示的是圖像上均勻信號強度的偏差，體現了MRI系統有效區分相鄰兩區域或結構的能力和對體模內同一物質區域的再現效果[2]。影響均勻度的因素有很多，包括射頻場的均勻性、射頻線圈的質量、梯度脈沖的校準度、穿透效應及渦流效應等[3]，頭部線圈的某些缺陷或射頻系統中的若干問題也可能導致均勻度的降低，并對成像結果造成影響。若檢測結果沒有在規定的標準范圍內，通常意味著此時的磁共振設備在顯示圖像信號強度的變化程度上要比系統正常運行時大得多[4]，應及時進行校正和調試。

在質量控制程序中，使用美國放射學會（American College of Radiology，ACR）MRI體模檢測均勻度的方法通常有兩種，我們且稱之為調值法和最值法，在它們的選取方面目前并沒有明確的統一，檢測方法及人員的隨機性將會給數據的整理帶來困難。本文將對兩種方法的一致性關系利用統計學知識進行分析，并在此基礎上對二者的優勢與不足展開討論，以期給操作人員在實際環境下對檢測方法的選擇提供參考，提高檢測的穩定性及科學性。

1 材料與方法

1.1 設備與參數

本文以ACR磁共振性能測試體模作為受檢體模，檢測均在Siemens MAGNETOM Skyra 3.0 T磁共振成像設備上進行，掃描采用自旋回波成像脈沖序列（Spin-Echo，SE），具體檢測參數如下[5]：TR，500 ms；TE，20 ms；FOW，25 cm×25 cm；MATRIX，256×256；激勵次數，1；掃描層厚，5 mm；接收帶寬，156 Hz/pixel。

1.2 均勻度的兩種檢測方法

在掃描之前需要將擺位好的體模靜置5 min以上，用來避免因晃動引起的內部溶液運動產生的偽影對成像質量造成影響[6]。在定位像層面設置完成后開始掃描可得到11幅質量控制圖像，其中均勻度的檢測在第七層上進行，檢測區域要求不靠近體模成像圓邊緣，并且要能夠較全面地反映圖像的均勻程度[7]。兩種檢測方法的具體過程如下[8]：

1.2.1 調值法

（1）顯示第7層掃描層面圖像，并放置一個面積約為200 cm2的圓形感興趣區域（Region of Interest，ROI）在體模成像區域中心，用來規定測量區域的范圍。

（2）調節窗寬至最小，而后降低窗位使整個體模成像圓呈現高信號所示白色。

（3）持續緩慢升高窗位，在某時刻體模成像圓內部將會出現一塊暗像素區域，即視為低信號區域。當出現的暗像素區域不唯一時應選擇范圍最大者作為目標。

（4）在低信號區域放置面積約為1 cm2的圓形ROI，記錄其內部灰度均值作為所需的低信號值Low（圖1）。

（5）繼續升高窗位，至亮像素將要完全消失，視余下部分即為高信號區域。

（6）依照步驟3確定高信號值High（圖2）。

（7）將高低信號值代入公式(1)計算出均勻度。

1.2.2 最值法

（1）顯示第7層掃描層面圖像。

（2）放置面積約為200 cm2的圓形ROI以確定所需均勻度測量的邊界（圖3）。

（3）記錄該ROI數據界面顯示的灰度最值作為高低信號值High，Low，代入上述公式(1)計算均勻度。

圖1 低信號區域

圖2 高信號區域

圖3 圓形ROI

1.3 Bland-Altman方法

為研究兩類方法的差異性及一致性，本文采用Bland-Altman圖法展開統計分析[9]，其原理是通過對兩類檢測方法間的差異進行隨機效應分析來解釋說明一致性問題。該方法繪制出以兩類檢測結果的均值為橫軸，差值為縱軸的散點坐標圖，用來考察二者間均值及差異的分布關系。在縱軸上以差異值的均值作為參考線，并以差值的95%分布范圍作為一致性界限（Limits of Agreement，LoA，1.96Sd），結合實際允許的最大誤差，從而得出兩種檢測方法在評價該指標上是否具有一致性的結論[10]。

LoA在概念上屬于統計描述的范疇，反映的是所測量的樣本特征，并未涉及對總體的推斷，因而可能對評價結論造成影響[11]。為考慮LoA的抽樣誤差需進一步對LoA的可信區間（LoA CI）進行估計，將可信區間的限值作為評價兩種方法的一致性限值。通常當圖中位于區間內的點占到95%以上且不超出專業上可接受的臨界值范圍時，則認為兩種檢測方法的一致性滿足相互替代的要求，該區間的計算公式如下[12]：

2 結果

2.1 均勻度檢測結果

通過使用上述兩種方法在磁共振設備上分別對均勻度進行檢測，得到的數值見表1。調值法和最值法檢測均勻度的耗時平均值分別為102.69 s和29.33 s，使用調值法檢測計算出的均勻度值會比最值法高出大約3%，而其檢測耗時則是最值法的4倍左右。

表1 兩種方法檢測均勻度的結果

2.2 Bland-Altman圖

基于表1中數據可繪制出與其相對應的Bland-Altman圖，見圖4。

圖4 Bland-Altaman圖

從上圖可以發現，計算出的所有數據點均位于LoA范圍內（2.71, 4.50），而本文中的β=0.1，n=10，對應的t=1.833，得到的LoA可信區間為（1.90, 5.32），范圍大于LoA其本身，因此所有數據點也同樣位于該區間內，即認為兩種方法的一致性較好，在檢測均勻度方面可相互替代。

3 討論

磁共振質量控制參數是評價成像圖像的重要指標，它們與圖像質量及其診斷價值息息相關[13]，而對檢測方法的合理選擇則是在實際環境中參數值真實有效性的保障。以另一項基本參數信噪比為例，其評估方式和標準種類繁多，僅是NEMA標準就定義了四種測量方法，FDA/IEC標準、SFDA/YY標準以及西門子等在這方面也都有著自己的特點[14]。相比較于信噪比而言，均勻度的兩種基于ACR標準的檢測方法在本質上差別不大，但如何選取仍需要仔細進行考慮。

通過對均勻度的兩種測量方法結果的分析和對比發現，二者在實際應用中存在著各類差異。首先是檢測時間的區別：我們記錄了表1中分別使用兩種方法進行均勻度檢測的耗時并計算均值，由于調值法不單要繪制兩個規定面積的圓形ROI，還需手動調節窗寬窗位值以獲取數據信息，相比較于僅放置一個圓形ROI就可計算均勻度的最值法的檢測過程來說要復雜得多，因此所耗費的時間也對應增加，約是后者的3.5倍左右。其次二者在檢測值方面也不盡相同：在磁共振質量控制程序中，對于共振信號及隨機噪聲的檢測工作均是圍繞體模成像圖像進行展開的，圖像的相關信息便是作為參數檢測計算和分析的基礎。從理論上看，我們所提及的噪聲應僅反映成像系統噪聲，即成像系統在運行過程中產生的隨機的疊加在圖像上的無規則額外信號，并且噪聲值不會因為成像區域位置或尺寸的改變而發生規律變化[15]。然而在參數質量控制圖像中的噪聲卻無法充分代表隨機噪聲，原因在于選取ROI的同時也將結構噪聲包括在內，使其不僅反映了系統噪聲，還反映了其它系統性能狀態[16]。當使用最值法對參數均勻度進行檢測時，由于該噪聲的存在，從后處理軟件繪制的ROI中得到的數據將容易出現高估區域高信號值和低估區域低信號值的結果，而調值法則因使用小面積區域信號的均值進行計算，在一定程度上能夠減少類似情況的發生，均勻度的檢測值相比較于最值法會略高，表1中的數據也明顯體現出了這種特性。

在臨床醫學活動中時常會需要評價多種檢測方法結果的一致性問題，通過對不同方法的一致性評價能夠體現其是否可以進行相互替代[17]。我們利用表1中的數據計算出了所需的一致性界限范圍（2.71, 4.50），代入相關參數和公式后得到了對應的可信區間范圍（1.90, 5.32），通過軟件繪制出的Bland-Altman圖像顯示所有數據點均落在LoA的可信區間范圍內，依照該方法的基本原理可以得出本文所討論的檢測均勻度的兩種方法具有相互替代性的結論，在后續的研究實踐中也將持續加入周期性檢測數據重復進行論證。

需要注意的是，由于日常質量控制中操作人員和檢測方法具有的隨機性，容易給大數據的整理和分析帶來困難，為保證磁共振系統時間性能曲線的穩定性與有效性，我們應常用某一種方法展開質量控制而不頻繁交替使用二者，在人員方面也應盡量由同一工程師進行操作。

綜上所述，相比較于最值法，調值法的檢測過程較為繁瑣復雜，對應的耗時也較長，但其結果精確度較高，因此相關工程技術人員應根據實際操作條件和需求選擇均勻度的檢測方法，并根據最終的檢測結果對設備運行狀態作出反映，力求確保磁共振系統成像的高質量。