磁共振质量控制参数中均匀度检测方法的对比研究

熊晖，陈自谦，钟群，许尚文，肖慧，付丽媛，吴剑威，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

磁共振质量控制指的是利用一系列科学合理的方法，在设备验收及长期使用的过程中对其性能进行周期性查验，以便发现的异常问题能够被及时修复，从而确保诊断图像高质量的综合技术[1]。如果说质量控制是保证磁共振设备运行良好的重要手段，那么相关参数的检测则是其实现的主要方式。均匀度（Percent Integral Uniformity，PIU）作为其中一项基本质量控制参数，表示的是图像上均匀信号强度的偏差，体现了MRI系统有效区分相邻两区域或结构的能力和对体模内同一物质区域的再现效果[2]。影响均匀度的因素有很多，包括射频场的均匀性、射频线圈的质量、梯度脉冲的校准度、穿透效应及涡流效应等[3]，头部线圈的某些缺陷或射频系统中的若干问题也可能导致均匀度的降低，并对成像结果造成影响。若检测结果没有在规定的标准范围内，通常意味着此时的磁共振设备在显示图像信号强度的变化程度上要比系统正常运行时大得多[4]，应及时进行校正和调试。

在质量控制程序中，使用美国放射学会（American College of Radiology，ACR）MRI体模检测均匀度的方法通常有两种，我们且称之为调值法和最值法，在它们的选取方面目前并没有明确的统一，检测方法及人员的随机性将会给数据的整理带来困难。本文将对两种方法的一致性关系利用统计学知识进行分析，并在此基础上对二者的优势与不足展开讨论，以期给操作人员在实际环境下对检测方法的选择提供参考，提高检测的稳定性及科学性。

1 材料与方法

1.1 设备与参数

本文以ACR磁共振性能测试体模作为受检体模，检测均在Siemens MAGNETOM Skyra 3.0 T磁共振成像设备上进行，扫描采用自旋回波成像脉冲序列（Spin-Echo，SE），具体检测参数如下[5]：TR，500 ms；TE，20 ms；FOW，25 cm×25 cm；MATRIX，256×256；激励次数，1；扫描层厚，5 mm；接收带宽，156 Hz/pixel。

1.2 均匀度的两种检测方法

在扫描之前需要将摆位好的体模静置5 min以上，用来避免因晃动引起的内部溶液运动产生的伪影对成像质量造成影响[6]。在定位像层面设置完成后开始扫描可得到11幅质量控制图像，其中均匀度的检测在第七层上进行，检测区域要求不靠近体模成像圆边缘，并且要能够较全面地反映图像的均匀程度[7]。两种检测方法的具体过程如下[8]：

1.2.1 调值法

（1）显示第7层扫描层面图像，并放置一个面积约为200 cm2的圆形感兴趣区域（Region of Interest，ROI）在体模成像区域中心，用来规定测量区域的范围。

（2）调节窗宽至最小，而后降低窗位使整个体模成像圆呈现高信号所示白色。

（3）持续缓慢升高窗位，在某时刻体模成像圆内部将会出现一块暗像素区域，即视为低信号区域。当出现的暗像素区域不唯一时应选择范围最大者作为目标。

（4）在低信号区域放置面积约为1 cm2的圆形ROI，记录其内部灰度均值作为所需的低信号值Low（图1）。

（5）继续升高窗位，至亮像素将要完全消失，视余下部分即为高信号区域。

（6）依照步骤3确定高信号值High（图2）。

（7）将高低信号值代入公式(1)计算出均匀度。

1.2.2 最值法

（1）显示第7层扫描层面图像。

（2）放置面积约为200 cm2的圆形ROI以确定所需均匀度测量的边界（图3）。

（3）记录该ROI数据界面显示的灰度最值作为高低信号值High，Low，代入上述公式(1)计算均匀度。

图1 低信号区域

图2 高信号区域

图3 圆形ROI

1.3 Bland-Altman方法

为研究两类方法的差异性及一致性，本文采用Bland-Altman图法展开统计分析[9]，其原理是通过对两类检测方法间的差异进行随机效应分析来解释说明一致性问题。该方法绘制出以两类检测结果的均值为横轴，差值为纵轴的散点坐标图，用来考察二者间均值及差异的分布关系。在纵轴上以差异值的均值作为参考线，并以差值的95%分布范围作为一致性界限（Limits of Agreement，LoA，1.96Sd），结合实际允许的最大误差，从而得出两种检测方法在评价该指标上是否具有一致性的结论[10]。

LoA在概念上属于统计描述的范畴，反映的是所测量的样本特征，并未涉及对总体的推断，因而可能对评价结论造成影响[11]。为考虑LoA的抽样误差需进一步对LoA的可信区间（LoA CI）进行估计，将可信区间的限值作为评价两种方法的一致性限值。通常当图中位于区间内的点占到95%以上且不超出专业上可接受的临界值范围时，则认为两种检测方法的一致性满足相互替代的要求，该区间的计算公式如下[12]：

2 结果

2.1 均匀度检测结果

通过使用上述两种方法在磁共振设备上分别对均匀度进行检测，得到的数值见表1。调值法和最值法检测均匀度的耗时平均值分别为102.69 s和29.33 s，使用调值法检测计算出的均匀度值会比最值法高出大约3%，而其检测耗时则是最值法的4倍左右。

表1 两种方法检测均匀度的结果

2.2 Bland-Altman图

基于表1中数据可绘制出与其相对应的Bland-Altman图，见图4。

图4 Bland-Altaman图

从上图可以发现，计算出的所有数据点均位于LoA范围内（2.71, 4.50），而本文中的β=0.1，n=10，对应的t=1.833，得到的LoA可信区间为（1.90, 5.32），范围大于LoA其本身，因此所有数据点也同样位于该区间内，即认为两种方法的一致性较好，在检测均匀度方面可相互替代。

3 讨论

磁共振质量控制参数是评价成像图像的重要指标，它们与图像质量及其诊断价值息息相关[13]，而对检测方法的合理选择则是在实际环境中参数值真实有效性的保障。以另一项基本参数信噪比为例，其评估方式和标准种类繁多，仅是NEMA标准就定义了四种测量方法，FDA/IEC标准、SFDA/YY标准以及西门子等在这方面也都有着自己的特点[14]。相比较于信噪比而言，均匀度的两种基于ACR标准的检测方法在本质上差别不大，但如何选取仍需要仔细进行考虑。

通过对均匀度的两种测量方法结果的分析和对比发现，二者在实际应用中存在着各类差异。首先是检测时间的区别：我们记录了表1中分别使用两种方法进行均匀度检测的耗时并计算均值，由于调值法不单要绘制两个规定面积的圆形ROI，还需手动调节窗宽窗位值以获取数据信息，相比较于仅放置一个圆形ROI就可计算均匀度的最值法的检测过程来说要复杂得多，因此所耗费的时间也对应增加，约是后者的3.5倍左右。其次二者在检测值方面也不尽相同：在磁共振质量控制程序中，对于共振信号及随机噪声的检测工作均是围绕体模成像图像进行展开的，图像的相关信息便是作为参数检测计算和分析的基础。从理论上看，我们所提及的噪声应仅反映成像系统噪声，即成像系统在运行过程中产生的随机的叠加在图像上的无规则额外信号，并且噪声值不会因为成像区域位置或尺寸的改变而发生规律变化[15]。然而在参数质量控制图像中的噪声却无法充分代表随机噪声，原因在于选取ROI的同时也将结构噪声包括在内，使其不仅反映了系统噪声，还反映了其它系统性能状态[16]。当使用最值法对参数均匀度进行检测时，由于该噪声的存在，从后处理软件绘制的ROI中得到的数据将容易出现高估区域高信号值和低估区域低信号值的结果，而调值法则因使用小面积区域信号的均值进行计算，在一定程度上能够减少类似情况的发生，均匀度的检测值相比较于最值法会略高，表1中的数据也明显体现出了这种特性。

在临床医学活动中时常会需要评价多种检测方法结果的一致性问题，通过对不同方法的一致性评价能够体现其是否可以进行相互替代[17]。我们利用表1中的数据计算出了所需的一致性界限范围（2.71, 4.50），代入相关参数和公式后得到了对应的可信区间范围（1.90, 5.32），通过软件绘制出的Bland-Altman图像显示所有数据点均落在LoA的可信区间范围内，依照该方法的基本原理可以得出本文所讨论的检测均匀度的两种方法具有相互替代性的结论，在后续的研究实践中也将持续加入周期性检测数据重复进行论证。

需要注意的是，由于日常质量控制中操作人员和检测方法具有的随机性，容易给大数据的整理和分析带来困难，为保证磁共振系统时间性能曲线的稳定性与有效性，我们应常用某一种方法展开质量控制而不频繁交替使用二者，在人员方面也应尽量由同一工程师进行操作。

综上所述，相比较于最值法，调值法的检测过程较为繁琐复杂，对应的耗时也较长，但其结果精确度较高，因此相关工程技术人员应根据实际操作条件和需求选择均匀度的检测方法，并根据最终的检测结果对设备运行状态作出反映，力求确保磁共振系统成像的高质量。