基于计量检定的MRI物理性能质控研究
基于计量检定的MRI物理性能质控研究
MRI（磁共振成像）作为重要的医学影像设备，其稳定、高效的运行是提供可靠诊断信息的前提。本文结合医院实际情况，制定了一套基于计量检定规程的MRI图像质量评价方法，从信噪比、均匀性、空间线性、空间分辨力等多个维度进行详细检测，为确保MRI设备的安全有效运行提供了科学依据。
测试工具及环境
测试工具
本研究使用的体模是Magphan SMR170测试体模（美国模体实验室），测试体模的定位示意图如图1所示，建议在示意图上标出测试平面（一）（二）（三）（四）[4]。该体模有4个测试平面[5]，分层示意图分别如图2所示。为了大尺寸的空间线性测试，可使用体模的测试立方体支撑盘作为测试平面，见图3。体模内填充的成像溶液为五水硫酸铜和蒸馏水配制的成像溶液（成像溶液的配比为1L蒸馏水+2g五水硫酸铜+3.6g氯化钠），呈水硫酸铜浓度为125nmol，T1弛豫时间为40860ms，T2弛豫时间为38~625ms[6]。本研究使用ColiyG93高斯计，测量范围为10nT（0.1mG）至3T（30kG），测量精度为1%，用于检测磁共振主磁场强度。
图1MagphanSMR170定位示意图
注：（a）是体模测试平面（一）的示意图，该平面提供4个感光测定用小瓶，能填充不同弛豫时间的溶液或凝胶。同时，该平面常用于体模位置验证，体模正确摆放时4周的4条坡道对称分布。通过测量4条坡度的长度，可以计算出层厚。（b）是体模测试平面（二）的示意图，该平面用于图像均匀性和信噪比测试。（c）是体模测试平面（三）的示意图，该平面有多组排列线对和圆孔，用于空间分辨力和空间线性的测试。（d）是体模测试平面（四）的示意图，该平面有多组排列的圆孔，用于低对比度分辨力的测试
图2MagphanSMR170模体分层示意图
图3测试立方体支撑盘示意图
检定条件
环境条件
上述测试工具的工作温度范围为-1060℃，综合考虑磁共振工作温度范围为1524℃，湿度范围为30%70%Rh，确定测试环境应满足温度为1524℃，湿度为30%~70%Rh。
工具精度要求
对于测试体模，由于尚无相关校准标准，通常应每年同更高一级的计量机构做比对，精度一致方可开展检测工作。对于主磁场检测工具，如高斯计，应每年送计量院进行校准，并确保检测时其校准证书处于有效期内。
方法
图像质量测试
将测试体模水平放置在头线圈内位于磁体等中心位置，模体的中心与射频线圈的中心近似重合。选择扫描参数，对模体的各测试平面扫描成像，扫描参数见表2。
表2扫描参数
信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）
如图4所示，SNR测量方法结合了1幅图像测量方法和2幅图像测量方法，能同时得到两组共4个SNR值。选择扫描序列和扫描参数对模体的测试平面（二）进行扫描得到第1幅均匀模体图像。扫描结束后，间隔至少5min，不做任何系统的调整或校准，在与上1次扫描条件完全相同的条件下进行第2次扫描，得到第2幅均匀模体图像。再将2幅图像相减，得到点对点相减的第3幅图像，即减影图像。分别在2幅均匀模体图像上75%中心区域内选取感兴趣区域（region of interest，ROI），测定ROI内信号强度的平均值S1、S2和标准偏差SD1、SD2。在减影图像上选取相同感兴趣区域，测定ROI内信号强度的标准偏差SD3。在2幅均匀模体图像的外侧背景区域分别选取4个ROI，测量并计算背景ROI内背景信号强度的总平均值Sb1和Sb2[7]。
图4信噪比测试示意图
（1）第一组SNR值：信号为均匀模体图像中心ROI内的信号强度的平均值S1、S2分别减去各自图像背景信号强度的总平均值Sb1、Sb2的差，噪声为均匀模体图像中心ROI内的信号强度平均值的标准偏差SD1、SD2，根据式（1）计算可得SNR1、SNR2值。
（2）第二组SNR值：信号为均匀模体图像中心ROI内的信号强度的平均值S1、S2，噪声为减影图像中心ROI内的信号强度的标准偏差SD3，根据式（2）计算可得SNR3、SNR4值。
均匀性
均匀性测试和SNR测试可选用同1幅图像进行计算。选择扫描序列和扫描参数对模体的测试平面（二）进行扫描得到1幅均匀模体图像。在均匀模体图像上75%中心区域内选取ROI，分别选取ROI中心区域和边缘0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°共9个区域为测量区，测定测量区内的信号强度均值，如图5所示。从所测定的测量区内的信号强度均值中，选出最大信号强度均值（Smax）和最小信号强度均值（Smin），均匀性U根据式（3）计算。
图5均匀性测试示意图
空间线性
空间线性测试可使用模体的测试平面（三）测试。选择扫描序列和扫描参数对模体的测试平面（三）进行扫描，得到由线对和圆孔组成的模体图像，分别测量水平和垂直位置上标称长度D标称为2、4、8cm孔间距的实际测量值D实测，见图6。对于大尺寸的空间线性测试可选择模体的测试立方体支撑盘测试2、8、10、12cm共4项。选择扫描序列和扫描参数对模体的测试立方体支撑盘进行扫描，得到由线对和圆孔组成的模体图像，分别测量斜向上标称长度D标称为2、8、10、12cm孔间距的实际测量值D实测，如图7所示。空间线性L根据式（4）计算。
图6水平和垂直空间线性测试示意图
图7斜向空间线性测试示意图
纵横比
纵横比测试和空间线性测试可使用同1幅图像进行计算。选择扫描序列和扫描参数对模体的测试平面（三）进行扫描，得到由线对和圆孔组成的模体图像，分别测量水平和垂直位置上标称长度为8cm孔间距的实际测量值D水平、D垂直。纵横比H根据式（5）计算。
空间分辨力
空间分辨力测试和空间线性测试可选用同1幅图像进行评价。空间分辨力测试采用检验物目视评价法。选择扫描序列和扫描参数对模体的测试平面（三）进行扫描，得到由线对和圆孔组成的模体图像，调节窗宽和窗位，直至将图像上的线对清晰地分辨并区分开来，此时能清晰分辨的最大线对数就是该设备的空间分辨力，如图2（c）所示。
低对比分辨力
低对比分辨力采用检验物目视评价法评价。选择扫描序列和扫描参数对模体的测试平面（四）进行扫描，得到由圆孔组成的模体图像，调节窗宽和窗位，直至将图像上的圆孔清晰地分辨并区分开来，此时能分辨的直径最小圆孔就是该设备的低对比分辨力，如图2（d）所示。
层厚
选择扫描序列和扫描参数对模体的测试平面（一）进行扫描得到模体图像，窗宽调节至最小，窗位至倾斜板信号强度与背景信号强度和的一半，测量图像中倾斜板成像的尺寸X1、X2和Y1、Y2[8]（图8）。取X1、X2和Y1、Y24个测量尺寸的平均值为断层分布的半宽高dFWHM，倾斜板的倾角为α（本研究使用的MagphanSMR170体模倾角为14°），层厚根据式（6）计算。
图8层厚测试（倾斜板测量）示意图
主磁场强度测试
首先，将高斯计的测量探头借助沙袋等工具固定在检查床中央位置，并确保移床时探头线缆不会受到挤压或损伤。其次，手动进床至高斯计到达主磁体中心位置。再次，将测量探头的连接端子同高斯计主机相连，关闭扫描间屏蔽门后开始测量。为保证测量的准确性，应间隔1min进行3次以上的测量，记录平均值作为测量结果。
结果
SNR值及均匀性性能要求
信噪比性能及均匀性性能要求如表3所示。
表3各主磁场强度MRI系统的SNR值及均匀性性能要求
空间线性、纵横比、空间分辨力、低对比分辨力、层厚、电压偏差
1.0T以上（含1.0T）的MRI系统的空间线性应小于2.0%，1.0T以下的MRI系统的空间线性应小于5%，当距离不超过2cm时，空间线性不超过±1mm。纵横比应在90%~110%范围内。1.0T以上（含1.0T）的MRI系统的最高分辨力不小于5Lp/cm，1.0T以下的MRI系统的最高分辨力不小于4Lp/cm。低对比分辨力应能分辨直径4mm深为0.5mm的圆孔。标称层厚≥5.0mm时，实际值与标称值之差的绝对值不大于1.0mm；当2.0mm≤标称层厚<5.0mm时，实际值与标称值之差的绝对值不大于0.5mm。电压偏差应为标称电压的±7%。
总结
综上所述，本研究从计量检定方面进行了医院内部MRI物理性能质控方法整理，上述指标均应至少满足相关计量标准要求方能保障MRI的工作质量，医院应定期开展相应的质控工作，确保设备安全、有效的运行。对于存在部分参数不满足标准要求的MRI设备，应立即停止诊疗活动，并对相应的部件（如射频、线圈、磁场、屏蔽等）进行重新配置、校准或维修，修复后重新进行性能检测，各项参数均达标后方可投入临床使用。
【参考文献】
［1］杨晓闻.磁共振谱仪及质控方法在设备研制和生产中的应用2016年度研究报告[R].2016.
［2］中华人民共和国卫生部.WS/T263-2006医用磁共振成像（MRI）设备影像质量检测与评价规范[S].北京：中国标准出版社，2006.
［3］张海平，王梦星，周敏雄，等.基于SMR170体模的磁共振质控参数检测与评价系统设计与实践[J].计量与测试技术，2020，47（11）：42-44，48.
［4］付丽媛，梁永刚，陈自谦，等.磁共振成像系统质量控制检测及处置界限建立[J].中国医学装备，2018，15（12）：15-19.
［5］ThePhantomLaboratory.MagphanSMR170MRI测试体模用户手册[M].2010.
［6］徐旭.基于QT的医用磁共振设备质量检测系统的设计与实现[D].重庆：重庆大学，2019.
［7］杨可邦，徐桓，胡红波，等.医用MRI设备应用质量检测结果的分析[J].中国医学装备，2019，16（8）：16-19.
［8］广东省质量技术监督局.JJG（粤）009-2008医用磁共振成像系统（MRI）计量检定规程[S].2008.
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