基于美国放射学院（ACR）标准的医用磁共振成像系统质量控制检测及处置界限建立

付丽媛，梁永刚，陈自谦，钟群，肖慧，许尚文，熊晖，林迪逵

解放军福州总医院 a. 医学影像中心；b. 医学工程科/福建省医学装备管理质量控制中心，福建 福州 350025

引言

医用磁共振成像系统（Magnetic Resonance Imaging，MRI）是目前重要的诊断设备之一，其性能的合格与图像质量关乎疾病的正确诊断与对症治疗，因此做好定期的质量控制检测对于保证MRI安全性、可靠性及参数准确性非常重要[1-2]。目前国际上比较通用的MRI检测规范是由美国放射学院（American College of Radiology，ACR）和美国医学物理学会（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）提出的质控检测的系列标准。美国医用MRI设备大都采用ACR标准定期进行质量控制检测[3]，国内近些年多位教授和他们的学术团队对MRI常用成像参数和系统性能的测试进行了研究，并制定了医药行业标准及地方计量技术规范等[4-6]。国际与国内标准体系的建立为医用MRI质量控制检测提供重要参考依据。本研究于2016年4月至2017年7月，采用ACR性能测试模体对西门子Trio 3.0 T MRI进行质量控制检测，介绍检测技术及测算方法，展示了检测结果，并建立处置界限，希望能为MRI常规质量控制检测的开展提供参考与建议。

1 材料与方法

1.1 环境条件

环境温度：20℃～22℃，相对湿度：50%～60%，大气压力：86.0～106.0 kPa，电源电压 ：（380±10）V。

1.2 检测器材及受检设备

检测器材为MRI专用ACR模体（美国放射学院研制），可以检测的主要技术指标有空间分辨率、低对比度分辨率、信噪比（SNR）、图像均匀性、几何精度和层厚等。受检设备为Siemens Trio 3.0 T MRI（德国西门子公司制造），2008年10月投入使用。

1.3 模体的准备、摆位与扫描方法

模体的准备[7-9]：模体在贮存及搬运过程中，在内部检测部件上有可能会出现气泡附着，因此需要去除气泡后才能进行检测。模体的摆位：将模体稳定放置于相控阵头线圈中间，其轴与扫描孔的轴平行，用水平仪检查模体水平后，正确安装接收线圈。将激光定位灯十字交叉处对准ACR模体的前面的标记“NOSE”处的黑色交叉标志线（图1），然后将模体送入磁体等中心位置，待模体静置5 min后，开始进行扫描信息登记及扫描。

图1 ACR模体的摆位图

扫描参数：检测通常采用自旋回波序列。TR=500 ms，TE=20 ms，矩阵=256×256，层厚=5 mm，层间距=5 mm，FOV= 25 cm×25 cm，接收带宽=20.48 kHz或156 Hz/pixel，激励采集次数为1次。

扫描方法：先行三平面定位像扫描，然后在矢状位定位像上确定横断位扫描，从模体最下端45º楔形边相交的顶点到最上端45º楔形边相交的顶点共扫描11层（图2），层厚5 mm，层间距5 mm。对应的轴位图像，见图3。

图2 轴位扫描定位及扫描层数图像

图3 扫描得到的模体1～11层横断位图像

1.4 质量控制检测指标测算方法

1.4.1 中心频率

在ACR模体预扫描阶段，MR系统通常会自动确定中心频率。这些信息一般不在图像上标明，但经常包含于扫描参数页中，通过查看扫描参数页得到中心频率并记录。

1.4.2 空间分辨率

轴位图像第1层，将图像放大2～4倍，可以看到在空间分辨力检测模块上有3对近似于正方形的小孔阵列，从左到右每组小孔的直径分别是1.1、1.0和0.9 mm（图4）。左上阵列和右下阵列分别用来评估左—右方向和顶—底方向的分辨力。

1.4.3 低对比度分辨率

本检测主要是计算所能分辨轮辐的数目总和，轴位图像第8～11层可以看到每层图像上有多个小碟片呈放射状轮辐状排列，每层包括10条轮辐，每条轮辐由3个碟片组成，在给定的层面内，所有的轮辐具有相同对比度，其对比度依次为1.4%、2.5%、3.6%和5.1%。3 T的MRI设备，一般要求可识别轮辐数达40个，1.5 T的MRI设备，一般要求达36个以上（图5）。

图4 ACR模体空间分辨力测量

图5 低对比度分辨率测量

1.4.4 信噪比

模体轴位图像第7层，在图像中央选取至少覆盖图像75%以上区域的ROI得到信号平均值；在模体周围背景区域（频率编码方向）选取一个尽可能大的ROI作为“空气ROI”，这个ROI要避开伪影，并且要尽可能大，以便获得最合适的背景信号和噪声的统计值（图6）。以该区域的信号强度的标准偏差作为噪声，由公式(1)计算得出图像的信噪比。

式中，σair：背景区域的信号标准偏差。

图6 SNR测量图

1.4.5 图像均匀性

轴位图像第6层或第7层，在图像中选取至少包含中心区域80%模体面积的ROI，通过测量图像中像素信号的最大值Smax与最小值Smin来计算图像均匀度（图7）。由公式(2)计算出整个图像均匀性。

式中，U∑：均匀度；Smax：所测区域中信号最大值；Smin：所测区域中信号最小值。

图7 图像均匀度测量

1.4.6 几何精度测量

调节合适的窗宽和窗位，采用测距功能，在矢状位定位像测量体模矢状位图像两边的长度，在第5层利用测距功能在纵向与横向通过体模中心测量圆形体模成像区的直径（图8）。依据公式(3)计算几何测量精度。

式中，GD：几何测量精度；D测：MRI测量值；D真：专用性能体模被测距离的标称值。

图8 几何精度测量图

1.4.7 层厚

轴位图像第1层，将图像放大2～4倍并将层厚测量区域完整显示，由于测量层厚的斜坡信号比水溶液的信号要低，因此需要大幅度降低窗位并把显示窗宽调窄使信号坡度有很好的可视性。在每个信号坡度正中勾画一个矩形ROI（图9a），分别记下两个ROI的信号平均值，并求出它们的平均值，该结果近似于斜坡正中的平均信号值。将窗位值设置为所测斜坡正中的平均信号值的一半，调节窗宽，测量斜坡的长度（图9b），记下测量数据。由公式(4)计算层厚，与层厚设置值比较计算层厚误差。

式中，T：层厚；L顶：顶信号坡度的长度；L低：底信号坡度的长度。

图9 ACR模体层厚测量示意图

1.5 ACR处置界限标准

在MR设备运行状态良好的情况下，对其中心频率连续检测5次，计算均值和标准差。中心频率的处置界限：3.0 T MR设备的周变化值≤256 Hz；空间分辨率应≤1.0 mm；低对比度分辨率检测可识别轮辐数为40；信噪比的周变化值范围为±标准差以内；图像均匀性为≥82%；几何精度为D真±2 mm；层厚为（5.0±0.7） mm以内[3]。

2 结果

基于ACR标准对Siemens Trio 3.0 T磁共振成像系统进行5次质量控制检测，得到的检测结果见表1，中心频率均值为（123216843.8±16.71）Hz，处置界限为周变化≤246 Hz；空间分辨率检测结果均为1.0 mm（左右），1.0 mm（顶底），处置界限应≤1.0 mm；低对比度分辨率可识别轮辐个数为40，处置界限为40；图像信噪比均值为520.214±56.20，处置界限为周变化±56.20以内；图像均匀性处置界限≥82%；几何精度（X方向、Y方向、Z方向）处置界限为D真±2 mm；层厚处置界限为（5.0±0.7）mm以内。根据ACR标准要求，扫描条件为：自旋回波序列，TR=500 ms，TE=20 ms，矩阵=256×256，层厚=5 mm，层间距=5 mm，FOV=25 cm×25 cm，接收带宽=20.48 kHz或156 Hz/pixel，激励采集次数为1次的条件下，中心频率周变化值应≤2 ppm，空间分辨率为1.0 mm或更好，低对比度分辨率可识别轮辐个数为40个，几何精度为真值±2 mm以内，层厚为（5.0±0.7）mm以内，图像均匀度为82%或更好，信噪比周变化为±1×基线值的标准差。本系统质量控制检测结果均在处置界限范围内，设备运行良好。

3 讨论

随着MRI设备的普及应用，设备在运行过程中存在巨大风险，包括运行安全和数据准确。国外对MRI设备质量控制检测起步较早，并制定了一系列检测标准，如AAPM标准、ACR标准及美国电气制造业协会（National Electrical Manufacturers Association，NEMA）标准等。在美国，由顶尖学者组成的著名的AAPM学会，他们对许多大型高端医疗设备几乎每日一检。尽管目前国内对医用MRI质量控制检测还处于初级阶段，但已经在质控检测方面提供了积极支持，如制定部分检测规程，开展部分设备检测等[10-11]。

MRI系统质量控制检测项目主要包括中心频率、空间分辨率、低对比度分辨率、SNR、图像的均匀性、空间线性和层厚等[12]。MR的中心频率是反映主磁场状况的一个重要参数，与主磁场强度成正比，如果中心频率发生变化，则意味着相应的主磁场发生了变化。因此，中心频率的变化可间接反映主磁场强度的变化。中心频率检测整个过程仅需要几分钟便可完成。本研究中心频率的变化均在处置范围内。空间分辨率是MRI系统重要的特性之一，是MR图像对解剖细节的显示能力。在进行质控检测中如果发现MRI的空间分辨力有降低，需要对扫描参数进行核对，若参数无误则考虑磁共振性能可能有所下降，需及时联系厂家工程师对问题进行处理，以免在使用过程中对患者造成漏误诊[13]。低对比度分辨率表示MRI设备的灵敏程度，成像设备灵敏度高会分辨出弛豫时间比较接近的病变组织与正常组织的差异，不灵敏则会混成一体分辨不出，这对一些中早期病变的诊断很有用。低对比度分辨率受伪影、信噪比和均匀度等多种因素的影响。图像伪影、信噪比低下及均匀度差均可造成低对比分辨率的降低。低对比度分辨率的检测主要通过目视其能分辨轮辐的数目总和进行评价，本研究经过检测得到其可识别轮辐数均为40，达到标准要求。信噪比是MRI最基本的质量参数，它受MR系统线圈调节、射频屏蔽、成像序列和参数设置等诸多因素的影响，且SNR的高低直接决定图像质量的好坏，因此定期进行测试是十分必要的[14]。如果计算得到图像信噪比低导致图像质量很差，应主要考虑到线圈是否正常、成像序列和参数设置是否合理并优化以及设备是否存在故障等。若为设备故障引起的信噪比降低，应仔细检查MRI设备，进行必要的维修保养。本研究中信噪比整体比较稳定，未发现有大幅降低的情况，检测结果达到标准要求。图像均匀性反映了MRI对模体内同一物质区域的再现能力，理想的图像均匀性应该为100%，通常对于FOV为25 cm，其整体均匀性应大于82%。当MR主磁场均匀度不好、射频场不均匀、图像出现伪影均会影响图像均匀度。为了得到良好的图像均匀度，MR工程师需要对设备定期进行保养，清除线圈及孔径内的金属异物及残留的血液及对比剂，对于提高图像均匀度有重要意义。几何精度是衡量MR系统图像变形程度的参数，体现了MRI重现物体几何尺寸的能力，几何精度主要受梯度磁场及主磁场均匀度影响，当梯度磁场缺陷使相位编码和频率编码出现误差，易产生几何失真，当主磁场均匀度较差会导致线性失真。在进行质控检测中如果发现图像有几何变形，要对扫描参数、静磁场及梯度磁场进行自查，如有需要可联系厂家工程师协助处理。层厚是MRI系统的一个重要参数，层厚定义是成像层面灵敏度剖面线的半高全宽度，表示一定厚度的扫描层面，对应一定范围的频率带宽。影响层厚的主要因素有Z方向梯度场的性能、射频场性能、主磁场均匀性及选层脉冲。在进行质控检测中如果发现层厚误差超出范围，则要对以上因素进行自查，如有需要可联系厂家工程师协助处理，以免因层厚误差导致漏诊。

表1 Siemens Trio 3.0 T磁共振成像系统质量控制检测结果

处置界限的建立方法：MRI设备购买安装并投入使用之后，在良好运行的时间内，首先要通过连续多次测量，建立起设备运行基线，然后根据设备的运行情况由物理师决定质量控制检测指标的处置界限。设备运行状态良好的情况下，质量控制检测指标均围绕建立的基线波动，如果出现偏离基线较多的情况，就需要对设备的软硬件进行校正。本研究建立的处置界限均为ACR推荐的处置界限。另外，连续检测的时间跨度对处置界限建立有影响，如果每周检测，这样变化值就会很小，得到的处置界限的范围会比较窄；如过时间跨度比较大，获得的处置界限就会比较宽。本研究的时间跨度从一个月到半年，时间跨度较大，所以得到的处置界限也比较宽，但仍然在标准范围内。

总之，本研究基于ACR标准对MRI的关键质量控制参数进行了检测，介绍了检测方法，展示了检测结果，建立了处置界限。希望通过我们的研究，能够为同行顺利开展MRI质量控制检测提供参考。除此之外，更重要的是持续不断地进行质量控制检测，一个有效的质量控制检测并不会消除设备本身的问题，而是在造成严重后果之前可以发现问题。质量问题可能很快或逐渐出现，有些质量的意外变化可以在进行常规临床工作中检查出来。但是，更多、更细微的改变只能靠常规质量控制检测。因此，长期的周期性质量控制检测，对于确保设备安全运行和参数科学准确具有重要的意义。