功能磁共振成像系统的成像质量控制

使用与维修　功能磁共振成像系统的成像质量控制　朱礼涛‘　吴　慧　刘　嘉　（１．认知神经科学与学习国家重点实验室北京师范大学北京１００８７５）　（２．中国科学院研究生院北京１０００４９）　摘要功能磁共振成像（ｆＭＲＩ）是通过测量大脑神经组织活动时所引起的脑血氧浓度　变化来探测大脑的认知功能的技术。由于其无创性和高空间分辨率，ｆＭ　ＲＪ已经成为认知　神经科学中研究大脑功能的最重要的技术手段。但是，成像机理和成像技术决定［ＭＲＩ经　常会面临图像质量方面的问题。本文从ｆＭＲＩ的成像特点出发，介绍［ＭＲＩ的常见问题和　针对这些问题制定的质量控制方案。该方案的测试方法比较简单，所使用的硬件和软件　在大多数磁共振系统上都有配备，具有很好的实用价值和可操作性。　关键词磁共振成像功能磁共振成像平面回波成像质量控制质量保证　功能磁共振成像（ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　在一两秒内实现全脑的　加权的成像。这种成像　Ｉｍａｇｉｎｇ，ｆＭＲＩ）是磁共振成像系统的一种应用。所　技术对磁共振系统的整体性能和成像环境的要求非　谓功能磁共振成像系统是指以功能成像为主要或重　常严格，很多子系统的瑕疵都会在ＥＰＩ成像中严重影　要应用方向的磁共振系统。由于ｆＭＲＩ采集的血氧　响图像质量。例如，磁场均匀性差会导致ＥＰＩ图像的　水平依赖（Ｂｌｏｏｄ　Ｏｘｙｇｅｎａｔｉｏｎ　Ｌｅｖｅｌ—Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ，　几何畸变或信号丢失；涡流补偿不好会产生严重的伪　ＢＯＬＤ）信号的变化通常只有百分之几¨　，对系统　影或几何畸变；线圈的缺陷可能表现为ＥＰＩ图像的信　稳定性的要求非常高，因此ｆＭＲＩ的成像质量控制就　噪比下降；元器件接触不良或振动造成的放电会导致　成为ｆＭＲＩ系统维护的重要组成部分　。　。本文主　Ｋ空间数据点错误从而造成ＥＰＩ图像中出现条纹或　要介绍本成像中心制定和使用的与ｆＭＲＩ序列直接　天鹅绒状的伪影（Ｓｐｉｋｅ　Ｎｏｉｓｅ）；外界环境或电网的干　相关的成像质量测试方法，该方法使用的硬件和软　扰也会产生各种伪影。另外，脑区活动相关的血氧水　件在大多数磁共振系统上都有配备，具有很好的实　平依赖信号变化幅度较小，因此对ＥＰＩ成像的稳定性　用价值和可操作性；其他常规的ＭＲＩ质量控制内容　要求非常高，如果供电系统、梯度系统、射频发射或接　可以参考美国放射学会（ＡＣＲ）的ＭＲＩ质控手册　ｊ　受系统的稳定性存在问题，由此产生的干扰可能将该　和美国电气制造商协会（ＮＥＭＡ）为ＭＲＩ系统制定　信号淹没，从而得不到真实的脑区激活信息。图１显　的相关标准¨　。　示一些存在质量问题的图像。　１　ｆＭＲｌ常见的图像质量问题　人在执行特定的任务时，参与任务的脑区会消　耗更多的氧，人体的生理调节机制将增加该区域的　供血量，多供应的氧会超过消耗的氧，造成该脑区血　氧浓度的增加。血氧浓度的变化会改变该区域脑组　织的驰豫时间Ｔ２　属性。ｆＭＲＩ实际上就是以固定　的重复时间ＴＲ进行连续的平面回波成像（ＥＰＩ），得　到一个三维的“录像”，记录人脑各区域的Ｔ２　加权　信号随时间的变化，即血氧水平依赖信号。　ＥＰＩ序列与其它常规的序列不同，它利用梯度回　图ｌ　ｆＭＲＩ常见的图像质量问题　波链在一次射频激发后采集一幅图像的所有Ｋ空间　（ａ）磁体中一枚钥匙造成的几何畸变；（ｂ）典型的１／２视场处的ＥＰＩ　数据，可以在几十毫秒内完成一幅断层图像的扫描，　伪影；（ｃ）头线圈故障造成的Ｓｐｉｋｅ　Ｎｏｉｓｅ；（ｄ）供电波动造成的ＥＰＩ　稳定性问题，测量信号的波动远大于正常ＢＯＬＤ信号　本研究由９７３计划前期研究专项课题（项目号：２００７ＣＢ５１６７０３）资助　５９　维普资讯 http://www.cqvip.com

现代仪器（ＷＷＷ．ｍｏｄｅｒｎｉｎｓｔｒｓ．ｏｒｇ．ｃａ）　２　ｆＭＲＩ质量控制方案的制定　ＲＩ质量控制方案的制定主要从以下两方面　考虑：（１）确定测量项目和测量方法；（２）对测量结　果设定判别指标以及当系统不能满足指标时的应对　措施。　２．１　ｆＭＲＩ质量控制的测量项目　ｆＭＲＩ质量控制最核心的测量项目是ＥＰＩ的稳　定性。常用的稳定性测量方法是利用水模（Ｐｈａｎ—　ｔｏｍ）进行较长时间的ＥＰＩ扫描，然后在水模图像中　选取一个感兴趣区域（Ｒｅｇｉｏｎ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｒｅｓｔ，ＲＯＩ），考　察该区域中所有像素的均值随时间的变化曲线（以　下简称均值曲线），并以该曲线的标准方差或峰峰　变化值相对曲线均值的百分比作为ＥＰＩ稳定性的测　量值。Ｗｅｉｓｓｋｏｆｆ提出用不同大小的ＲＯＩ进行上述　测量，并把这些测量值与利用单幅图像得到的图像　信噪比计算出的理想曲线相比较的方法　，该方法　已经被很多ｆＭＲＩ场地采用，西门子公司也将该方法　作为系统维护工具应用在其ＭＲＩ产品中。很多　一　ＲＩ场地都制定比较系统的ｆＭＲＩ质量控制方　法Ｈ＇　，并给出测试结果可供参考，但是这些方法的　数据处理比较复杂，需要使用专用的数据分析工具，　在其它场地很难直接应用。　在已有方法的基础上，利用成像系统本身配备　的水模、硬件和软件，制定一套比较简单的ｆＭＲＩ质　量控制方法。该方法每天进行一次１０ｍｉｎ左右的　ＥＰＩ扫描，然后对中间层片在所有时间点上的数据　进行分析，提取ＥＰＩ稳定性、伪影和噪声相关的测　量。除此之外，还要记录系统使用的中心频率和射　频发射电压，以及磁体的液氦消耗，用来监测相关硬　件的工作状态。　稳定性的测量是在图像水模信号的均匀区域选　取一个尽量大的ＲＯＩ，以减小高斯白噪声对稳定性　测量的干扰，如图２（ａ）中的圆形ＲＯＩ所示。稳定性　测量指标的计算公式为：　Ｓ＝（Ｍａｘｌ—Ｍｉｎｉ）／［（Ｍａｘｌ＋Ｍｉｎｉ）／２］Ｘ　ｌ００％　其中ｓ表示稳定性，Ｍａｘ１和Ｍｉｎｉ为信号区域ＲＯＩ　均值曲线的最大值和最小值。如果信号有比较明显　的低频漂移，需要对上述的稳定性测量进行矫正，将　（Ｍａｘｌ—Ｍｉｎｉ）替换成信号去除漂移后的估计振幅。　为监测ＥＰＩ的伪影强度、信噪比以及其他在背　景区域有明显表现的伪影或干扰，例如电网波动造　成的伪影增强或Ｓｐｉｋｅ　Ｎｏｉｓｅ，我们在图像的伪影区　６０　图２稳定性图像测量　（ａ）ｆＭＲＩ质控测量的三个ＲＯＩ圆形为信号区ＲＯＩ、大矩形为伪影区　ＲＯＩ和小矩形为背景噪声区ＲＯＩ；（ｂ）圆形信号区ＲＯＩ的均值曲线，　横坐标是ｆＭＲＩ的图像编号。　域和背景噪声区域也各选取一个ＲＯＩ，如图２（ａ）中　的两个矩形ＲＯＩ所示，并将两个ＲＯＩ均值曲线的最　大值相对信号区域ＲＯＩ曲线均值的比值作为质量　控制的测量项目：　Ｇ：Ｍａｘ２／［（Ｍａｘ１＋Ｍｉｎｉ）／２］Ｘ　１００％　Ｂ：［（Ｍａｘｌ＋Ｍｉｎｉ）／２］／Ｍａｘ３　其中，Ｇ表示伪影的相对强度，Ｂ表示背景的相对强　度，Ｍａｘ２和Ｍａｘ３分别为伪影区域和背景噪声区域　ＲＯＩ均值曲线的最大值，Ｍａｘｌ和Ｍｉｎｉ为信号区域　ＯＩ均值曲线的最大值和最小值。　２．２测量项目指标的确定　测量项目判别指标的确定主要从以下方面考　虑　：利用一段时间的测量数据建立基线；参考系　统设计参数；参考其它ＭＲＩ设备的测量结果；根据　ｆＭＲＩ应用的需求确定指标。其中，前三种方法有助　于发现和解决ｆＭＲＩ系统的异常，最后一种方法则更　能体现质量控制的意义，也是我们判断系统是否能　提供可靠数据的重要依据。　在前面提到的测量项目中，中心频率、射频发射　电压和液氦消耗的指标主要通过基线估算确定，以　正负３倍方差为上下限。如果测量值超出此范围则　重新进行测量，若结果仍然越限则需要进行调研，进　一步寻找原因。　ＥＰＩ的稳定性、伪影和背景的相对强度也利用基　线分析确定上限。如果测量值超出此范围，则需要重　测或调查原因。另外，根据　ＲＩ应用的特点，如果稳　定性测量超过１％，系统将被认为不适宜进行　ＲＩ实　验，需要联系厂家对系统进行调整和维护。　作为一个完整的质控方案，还需要对测试数据　进行定期的回顾，分析测试数据在过去几周或几个　月中的异常变化和整体趋势　］。　（下转第７８页）　维普资讯 http://www.cqvip.com 现代仪器（ＷＷＷ．ｍｏｄｅｒｎｉｎｓｔｒｓ．ｏｒｇ．ｃｎ）　法律法规是一个很强的推动力，但是ＰＡＴ并不是法　麓　Ｓｔｅｖｅ　Ｗａｌｔｏｎ先生（ＰＡＩ创始人之一，同时也是　公司过程分析部门的主要分析专家）告诉Ｉｎｓｔｒｕ．　ｍｅｎｔａ：“关于ＰＡＴ已经谈论很多，但是人们没有意　识到ＰＡＴ是关于过程控制，分析仪器并不是必须要　求的。基于这个原因，过程分析仪器的需求才没有　厂商们预期的那样强烈，同时，制药行业的用户也还　律法规，只是一种纯粹自愿的行为。过程分析仪器　在环境监测领域增长较快，是因为在此领域内，法规　执行严格，并且力度大。运输行业的安检，因为有政　府规章制度的强制，所以，过程分析仪器的发展也很　不错”。　Ｃｏｏｌｅｙ先生总结到，“归根到底，虽然法律法规　在观望。与过程分析仪器在制药行业的应用市场发　展缓慢相比，ＮｅＳＳｉ取得的成绩比较大，企业在技术　方面的研究工作使他们认识到增加应用在线分析仪　器是能够带来经济利益的。当然，与石化行业的巨　大市场相比，制药行业的市场还是相对较小的”。　Ｗａｌｔｏｎ先生指出，“然而，这种情况也并非出乎　意料的。对于制药行业这个保守的市场，新技术的　推广需花很长的时间，但经济利益最终将促进新技　术的推广”。　很重要，但是，经济利益才是关键。只有企业认识到　过程分析仪器给他们带来经济利益，过程分析仪器　的市场才能真正增长，最大的挑战是要使企业认识　到将分析仪器移至生产线所产生的价值。对于制药　行业来说，这是一个巨大的模式转变。我想对于我　们来说最大的挑战是转变行业的文化观念”。　Ｃｏｏｌｅｙ先生指出，“应对这种变化，过程分析仪　器的制造商将要做的是开发出比当前方法有明显优　势的新技术。技术的成本、仪器的简单化和易于维　护对于企业来说是至关重要的，而现在的技术在以　上方面仍然存在不足，这阻碍过程分析仪器行业的　发展。这也表明过程分析仪器企业有更大的机会通　过技术创新促进市场的增长。分析仪器的小型化也　新技术可能改变过程分析仪器市场的发展速度　吗？Ｗａｌｔｏｎ先生认为，“过程分析仪器的供应商本　身还不能更快地促进过程分析仪器市场的发展，对　过程分析仪器的培训才是过程分析仪器市场增长的　一个十分重要因素”。　编译自“Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａ”Ｆｅｂｒｕａｒｙ　２００７　Ｖｏｌ　２４　Ｎｏ２　是方向之一，在一定程度上使用者也在期待着这一　新的技术”。　｛上接第６Ｏ页）　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　Ｉｍａｇｉｎｇ　ｗｉｔｈ　Ｃｏｎｔｒａｓｔ　Ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ　ｏｎ　Ｂｌｏｏｄ　Ｏｘｙ—　３总结　上述测试方法简单易行，所用的硬件和软件在　大多数磁共振系统上都有配备，能够有效地监测　ｇｅｎａｄｏｎ，Ｐｒｏｃ　Ｎａｄ　Ａｃａｄ　Ｓｃｉ　ＵＳＡ，１９９０，８７：９８６８—９８７２　２　Ｋｗｏｎｇ　ＫＫ，Ｂｅｌｌｉｖｅａｕ　ＪＷ，Ｃｈｅｓｌｅｒ　ＤＡ，ｅｔ　ａ１．，Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　Ｉｍａｇｉｎｇ　ｏｆ　Ｈｕｍａｎ　Ｂｒａｉｎ　Ａｃｔｉｖｉｔｙ　ｄｕｒｉｎｇ　Ｐｒｉｍａｒｙ　Ｓｅｎｓｏｒｙ　Ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｐｒｏｃ　Ｎａｔｌ　Ａｃａｄ　Ｓｃｉ　ＵＳＡ．　１９９２．８９：５６７５—５６７９　ＥＰＩ的稳定性、伪影和信噪比的变化，发现电网、　Ｓｐｉｋｅ　Ｎｏｉｓｅ等随机出现的干扰，具有很好的质量控　制效果和实用价值。　本场地使用的设备为西门子公司的ＭＡＧＮＥＴＯＭ　Ｔｒｉｏ　Ａ　Ｔｉｍ　Ｓｙｓｔｅｍ　３Ｔ　ＭＲＩ系统，　ＲＩ质量控制测试　３　Ｒ．Ｍ．Ｗｅｉｓｓｋｏｆｆ．Ｓｉｍｐｌｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｓｃａｎｎｅｒ　Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｆｏｒ　Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ＮＭＲ　Ｉｍａｇｉｎｇ　ｏｆ　Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｂｒａｉｎ，　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｉｎ　Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，１９９６，３６：６４３—６４５　４　Ｓｉｍｍｏｎｓ　Ａ，Ｍｏｏｒｅ　Ｅ　ａｎｄ　Ｗｉｌｌｉａｍｓ　ＳＣＲ，Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｒｆ　ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　Ｉｍａｇｉｎｇ　ｕｓｉｎｇ　Ａｕｔｏｍａｔｅｄ　Ｄａ—　ｔａ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｓｈｏｗｃｈａｒｔ　Ｃｈａｒｔｉｎｇ，Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｉｎ　Ｍｅｄｉｃｉｎｅ，１９９９。４１：１２７４—１２７８　中的ＥＰＩ扫描使用系统标配的１９００ｍｌ瓶装水模和１２　通道矩阵头线圈，采用系统内置的ＭｅａｎＣｕｒｖｅ软件包　进行数据分析。测试使用的主要成像参数来自场地　常用的　ＲＩ序列（轴位成像，ＴＲ２００Ｏｍｓ，ＴＥ３０ｍｓ，翻　５　Ｆｒｉｅｄｍａｎ　Ｌ．Ｇｌｏｖｅｒ　ＧＨ．Ｒｅｐｏｒｔ　ｏｎ　ａ　Ｍｕｌｔｉｃｅｎｔｅｒ　ｆＭＲＩ　转角９０。，视场２００ｍｍ，成像矩阵６４　ｘ　６４，层厚５ｍｍ，　层间距２０％，层片数９，接受带宽２５２０Ｈｚ／Ｐｘ，相位编　码Ａ．Ｐ），扫描时间为８００ｓ。　参考文献　１　Ｏｇａｗａ　Ｓ，Ｌｅｅ　ＴＭ，Ｋａｙ　ＡＲ，Ｔａｎｋ　ＤＷ．Ｂｒａｉｎ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ａｓｓｕｒａｎｃｅ　Ｐｒｏｔｏｃｏ１．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｉｎ　Ｉｍａｇｉｎｇ，２００６，２３：８２７—８３９　６　ＡＣＲ．Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　Ｉｍａｇｉｎｇ　Ｑｕａｌｉｔｙ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｍａｎｕａｌ，　Ａｍｅｒｉｃａｎ　ＣｏＨｅｇｅ　ｏｆ　Ｒａｄｉｏｌｏｇｙ，２００４　７　ＮＥＭＡ．ＮＥＭＡ　Ｓｔａｎｄａｒｄｓ　Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ　ＭＳ　１　ｔｏ　ＭＳ　１２．Ｎａ—　ｔｉｏｎａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｓ　Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ．　７８