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浅谈MRI的图像质量控制
由于MRI的成像原理及操作过程十分复杂，其中涉及的技术手段和跨领域知识甚多，任何一个环节和参数，都会影响MRI影像质量，因此，为了利用现有的技术水平达到最有效的成像手段，发挥MR的最大诊断价值，我们有必要从各个方面对MRI成像实现质量控制。但是，作为影像科医师和普通技师，我们没有必要也不太有能力对整个MR系统的质量控制盒质量保证都能很全面的掌握，本文仅对临床检查中影响最明显、最常见也是在临床上最受关注的、最重要的可控质量指标进行介绍。
有关MRI质控指标有很多，临床上比较关注的指标有：信噪比、图像对比、空间分辨力、图像均匀度等。
1． 信噪比
信噪比（SNR）是MRI最基本质量参数，如果一副MRI影像信噪比过低，那么其他的质量标准都无从谈起，SNR是指图像的信号强度和背景随机噪声强度的比。信号强度，是图像中某代表组织的一感兴趣区内的所有像素信号强度的平均值；北京随机噪声，指同一感兴趣区等量像素信号强度的标准差。噪声重叠在图像上，使像素的信号强度以平均值为中心而震荡，噪声越大，这种震荡就越明显，而SNR值越低。
信噪比值在临床使用中有两种测量和计算方法。
第一种方法，SNR=SI/SD，SI是感兴趣区中像素信号强度的平均值，SD是同一感兴趣区中信号强度的标准差，即噪声。这种计算方法是根据SNR的定义直接引申过来的，直观易理解，但在实际操作中却不常用，因为这种计算方法要求感兴趣区中包含的是均匀成分，否则，感兴趣区内各个像素信号强度的标准差并不能代表随机噪声，即在感兴趣区中成分不均匀对的情况下SD无法确定。此方法一般是医学工程人员在进行设备维护保养和检修过程中，利用体模时使用较多。
第二种方法，SNR=SI组织/SD背景，这一方法是在符合磁共振原理的基础上，根据临床实际应用而总结出的方法，首先我们要将图像内容视为两个部分，一个是整个显示人体组织成像内容的部分，称为组织部分，另一个是在整个FOV以内除去组织部分的部分，及相当于FOV内空气的部分。SI仅仅计算在组织部分内选择某感兴趣区内像素的平均强度，即SI组织；而SD仅仅是计算在空气的部分内信号强度的标准差，即SD背景。二者的比值即SNR。这种方法在实际的临床操作中比较常用。
影响SNR的因素有很多，比如主磁场强度、采集线圈、脉冲序列、TR、TE、NEX（激励次数）、层厚、矩阵、FOV、采集带宽、采集模式等。经过研究和总结现有的临床使用经验，我们得出以下的规律：①SNR与主磁场强度成正比。②多通道表面相控阵线圈＞表面线圈＞体线圈。③SE序列的SNR一般大于GRE序列。④在多数序列中，TR的长度和SNR为正比，TE长度和SNR成反比。⑤SNR与回波信号总数的平方根成正比。⑥FOV的大小与SNR成正比。⑦矩阵大小与SNR成反比。⑧在层厚相同的情况下，3D图像的SNR值要明显的高于2D图像，在相同的3D或2D图像中，SNR值在层厚增加时成比例升高。⑨采集带宽的宽度与SNR成反比。
以上所有的影响因素都是在影响受检组织的信号强度和随机噪声。信噪比越高，图像越清晰也越利于临床诊断，在实际操作中，提高SNR的原则，是提高图像的信号强度和降低背景随机噪声。不过，一般来讲，SNR与检查时间的长短存在一定程度的冲突，因此要去我们在使用中有效合理地提高图像信噪比。
需要特别指出的是，各厂家的设备在操作界面参数调整中的信噪比并不是真正的SNR，而是相对信噪比，所有的序列经过设置储存之后，经重建调用，其相对信噪比都是1，调整各参数导致的信噪比变化只能显示该参数对信噪比的影响，而不是真正的SNR值，如果原本储存的序列参数信噪比很高，那么当使用调整将信噪比降为30%，那么最终的图像依然能有足够的信噪比。
2． 对比噪声比
在保证一定SNR的前提之下，MR图像的另一个重要指标是对比度，对比度是指两种组织信号的强度的相对差别，这种差别越大，对比度越好。在临床上，图像对比度常用对比噪声比（CNR）表示，对比噪声比的测量计算公式是CNR=∣SI病灶—SI组织∣/SD背景，其中，SI病灶是代表病灶处的信号强度，SI组织为病灶周围正常组织的信号强度，SD背景为相位编码方向上FOV内空气区域的感兴趣区的标准差，即背景随机噪声。
CNR主要受3个方面的影响。①组织间的信号固有差别，即两种不同组织间T1、T2、质子密度、运动等的差别，固有差别越大者CNR越大，对比度就越好，固有差别小者，CNR就越小，即使使用最佳的检查技术，对比度也比较低，是对比度的决定性因素。②成像技术，涵盖的范围较大，包括场强、序列、参数等，合理的特定序列及参数，可以得到优质的图像CNR。③人工对比，对于特殊的临床检查需要或是针对固有差别很小的组织，可以使用MR对比剂介入的方法，人工提高CNR。
3． 空间分辨力
空间分辨力控制的是图像对于解剖细节的显示能力。在影像学上，实际上就是成像体素的大小，体素越小，空间分辨力就越高。这与照片像素的原理是一样的。层面选择方向上的空间分辨力由层厚决定；我们更为关注的是，层面图像的空间分辨力，主要受FOV和矩阵大小的影响，矩阵越大而FOV保持不变，体素就会越小，相应的空间分辨力也越高，而在相同的矩阵大小中，FOV越大则体素越大，导致空间分辨力降低。在临床使用中我们还应注意，在其他参数保持不变的情况下，过高地追求空间分辨力，会延长采集时间，同时由于K空间的填充原理，空间分辨力也会牺牲图像的对比，因此，在实际使用中，我们应合理地调整参数，比较权衡地提高空间分辨力。
4． 图像均匀度
图像均匀度主要取决于磁场的均匀度和采集线圈的性能，除了在某些扫描序列中添加匀场以在一定程度上保证图像质量，一般来讲每一台设备的图像均匀度在临床操作中是不可控的，取决与设备本身的性能及安装启用时进行匀场的过程。一般包括信号强度的均匀度、SNR的均匀度、CNR的均匀度，主要反映为图像上均匀物质的信号轻度的偏差，偏差越大则均匀度越低，在实际测量中可以用水模来进行，在视野中取多个感兴趣区进行测量对比。
图像均匀度受检查操作的影响很小，而直接反映设备的性能，是一项非常重要的技术指标。
5． MRI伪影
伪影的定义是MR图像中与实际解剖结构不符的信号。是在临床应用中最常见的图像质量问题，设备性能、序列性质、操作技术、特殊病患和特殊部位乃至一系列不明确的原因，都可以导致图像伪影。有些伪影是完全可以利用技术手段规避的，有些则无从下手解决，也有一部分伪影解决的意义不大，但不可否认的是，伪影是影像医学最普遍也是最急于解决的问题之一。伪影在图像上的表现主要有变形、重叠、缺失、模糊等，伪影是导致图像质量下降，有些严重的伪影可能会遮掩病灶，造成漏诊，同样可能出现假病灶，造成误诊。因此正确地认识伪影、采取相应对策减少或规避伪影，对于提高MRI诊断价值具有重要意义。
相对于其他的影像学检查手段，MRI更容易产生伪影，并且伪影的种类更多，机制也更为复杂。真正可以认识和掌控各种的MRI伪影，需要扎实的MRI基本知识、过硬的技术水平和丰富的临床使用经验。
从伪影的发生源来看，可以将伪影分为三大类：设备伪影、运动伪影、磁化率伪影。
设备伪影的发生源与设备本身或设备所具有的固有技术有关。主要取决于设备本身的质量及安全调试等因素。在设备伪影中大部分伪影是与成像技术或参数相关，通过选用合理的技术和参数可以减轻或消除伪影，因此我们比较关注这部分设备伪影：
① 化学位移伪影：由于化学位移现象导致的图像伪影。在组织中由于化学位移现象的存在，水分子中的质子进动频率高于脂肪中质子的进动频率，在1.5T的设备中，其进动频率差大约为225Hz。MR通过施加频率编码梯度场造成不同位置上的质子进动频率差来完成频率编码方向上的空间定位编码。由于脂质子的进动频率低于水质子的进动频率，在傅里叶变换时，会把脂质子的低进动频率误认为空间位置上的低频率。如此重建MR图像中脂肪信号会在频率编码方向上向场强较低（进动频率较低）的一侧位移，发生错位，从而在此方向上发生影像的重叠和缺失。位移的程度与场强有关。临床中一般采取增加频率编码带宽、采用低场设备进行扫描、改变频率编码方向、抑制脂肪技术等方法规避或减轻该伪影。
② 勾边伪影：也称为黑线伪影，表现为脏器与脂肪组织之间出现宽度为一个像素的黑线勾勒于脏器周边。常出现于腹部脏器周围、肌肉间隙等部位，本质上也属于化学位移的一种，但只出现于梯度回波类的序列中的反相位图像上，但不仅仅发生于频率编码方向上。临床上消除该伪影的方法有：通过TE的改变采集同相位图像、施加抑制脂肪技术、用自选回波类序列代替梯度回波序列。
③ 卷褶伪影：当受检部位的内容大小超过FOV大小时，超出部分的组织信号将折叠到图像的对侧，其产生机制是FOV外的组织信号在融入图像后，将发生相位或频率的错误，把FOV外一侧的信号错当成另一侧的信号，因而设备默认会将信号折叠刀对侧。由于目前普遍采用的频率方向超范围编码技术，因此在频率编码方向上不会出现卷褶伪影，而多见于相位编码方向上。在三维成像中，用于层面方向上也采用相位编码，所以在层面方向上也会出现卷褶伪影，表现为在三维容积层面方向两端的少数层面上出现对侧端以外的组织折叠影像。一般采取的对策有：增大FOV、相位编码方向过采样、施加空间预报和带、切换频率编码与相位编码的方向。
④ 截断伪影：也成环状伪影，在空间分辨力较低的图像上表现明显，表现为多条同中心的弧线状高低信号影。由于MR影像的本质是数字成像，要用像素表现解剖结构，而像素的大小是有限的，不能达到无限小，因此对解剖结构表现力也是有极限的，这种与实际解剖结构的差别就是截断差别，像素越大，这种失真就越明显，有可能出现肉眼可见的明暗相间的条带，就是截断伪影。因此空间分辨力低的图像截断伪影更明显，另外信号强度差别很大的组织间也可能出现明显的截断伪影。此外值得一提的是，一般为了缩短采集时间，在相位编码方向上的空间分辨力往往更低，截断伪影相对更明显。一般我们尽可能地增加图像分辨力，及提高图像的清晰度又能有效地消除截断伪影，不过相应的代价是增加采集时间。
⑤ 部分容积效应容积效应普遍存在于MR、CT等各种断面成像的图像上，会造成病灶的信号强度不能得以客观表达，同时影响病灶与正常组织的对比，薄层扫描可以有效地减少或消除容积效应，要根据实际的扫描需要来权衡。
⑥ 层间干扰：也称层间污染。受梯度场线性、射频脉冲的频率特性等影响，在进行二维图像扫描是，扫描层面附近的质子也会受到激励，这会造成层面之间信号的相互影响，我们称这种现象为层间干扰。主要有两种表现，一是在逐层方式的激发顺序中，可能出现各个层面因饱和效应而出现不同程度的信号强度降低和对比度降低等。二是间隔方式进行激发时，出现偶数层面的信号降低，从而出现本序列的图像一层亮一层暗。一般的对策有：1.扩大层间距。2间隔模式进行激发，不过在TR时间较短的情况下，会出现层间干扰的第二种表现，即一层暗一层亮。3.三维技术采集。
⑦ 近线圈效应：在扫描中采用表面线圈（包括相控阵线圈）采集信号与体线圈像比较具有灵活和信噪比高等优点，但表面线圈接收信号在整个采集容积区域是不均匀的，靠近线圈的部位信号高，远离线圈的部位信号低，此种现象称之为近线圈效应。产生机制是由于线圈的空间敏感度差异所致，一般不会产生大的影响，只是降低图像的均匀度，但也有严重的情况，会破坏图像美观，甚至影响正常阅片、诊断。解决的方法有两种。一是采用滤过技术，此技术是设备厂家预设在系统中的一种图像后处理技术，在GE设备上称为SCIC，在飞利浦设备上称为HC，人为地对已重建后的图像进行像素滤过，尽可能地是距离线圈远近的组织信号在图像上表现的接近，但此种方法缺乏准确性，没有一个标准可循，有时可能效果不理想甚至矫枉过正。第二种方法是利用表面线圈敏感度信息与体线圈对比的方法，也就是校准扫描，由于在正式进行成像扫描之前就采集了有效的校准信息，对有差异的信号进行一定的数据处理，因此此方法明显优于滤过技术。
运动伪影是指由于受检者的宏观运动引起的伪影，宏观运动包括自主的肢体、吞咽运动等也包括非自主的心脏血管搏动、消化系统蠕动等。
宏观运动之所以会造成伪影，主要是因为在MR进行信号采集是要进行对组织的射频激发，由于运动导致的组织相对位移或变形，使得出现相位的偏移，在傅里叶转换时会把这种相位的偏移误当成是相位编码方向上的位置信息，把组织的信号配置到一个错误的位置上，从而影响图像的准确性，有些运动伪影对图像影响不大，可能会出现模糊、虚影等表现，大部分情况可以采用，对诊断没有实质的影响，有些严重的运动伪影则会影响正常诊断，甚至使图像无法识别。伪影的强度主要取决于运动结构的信号强度，伪影的形态主要受运动方向和幅度的影响，伪影的复制数目、位置受基本正弦运动的相对强度、TR、NEX、FOV等因素影响。一般运动伪影易出现在相位编码方向上。
运动伪影根据受检者自身的主控情况，可分为三类，随机自主运动伪影、可控自主运动伪影、非自主运动伪影。
随机自主运动伪影是由于患者不具周期性、可自控的运动造成的伪影，包括吞咽、眼球运动、肢体运动等。要应对此类伪影，我们首先应尽可能地取得患者最大限度的配合，并且尽量缩短扫描时间，采用可以有效纠正运动的序列，有些运动，如吞咽，可以预先在咽喉处施加空间预饱和带。
可控自主运动伪影，主要就是呼吸运动伪影，出现于胸腹部，与随机自主运动不同，其伪影主要出现于相位编码方向，出现图像模糊或胸廓及脏器结构的重叠影。呼吸运动在人体中是一中比较特殊的运动方式，其节律和时间在一定程度上是可以控制的，但却不能完全阻绝，利用这一运动特点，在MR上有许多专为解决呼吸运动伪影而设计的程序和设备，比如利用呼吸门控设施，采用呼吸触发技术或导航回波技术，或应用超快速成像序列进行屏气扫描，还可进行对呼吸不敏感的超快速序列，如单次激发的FSE、单次激发EPI等，不过这类序列的性噪比和对比度都不高；增加NEX可以减轻呼吸运动的影响；另外，由于脂肪在图像上呈高信号，胸腹廓的皮下脂肪及脏器脂肪造成的伪影也最严重，因此采用抑脂技术或在前腹壁的位置施加饱和带也能在一定程度上减少呼吸运动伪影。在一些低场强MR上，也可施加腹带其他方式减小呼吸运动的幅度，可以减少运动伪影。
非自主运动伪影，非自主运动是指人体中宏观的为了维持生命体征或正常生理代谢而不受自主神经控制的长期持续的运动形式，其中会产生伪影的有心脏搏动、血管搏动及血液流动、脑脊液的流动，在这其中心脏的搏动或大的动脉搏动伪影，具有很强的周期性，对图像的影响主要是模糊或相位错位，而血液和脑脊液的流动，也具有一定的周期性，会造成质子失相位、信号丢失、流入增强效应、流空效应、流动本身产生的运动伪影，针对这些非自主运动的伪影，主要是采用一些特定序列及规定参数，或运动门控设备进行一定的监测，但由于产生机制特殊性，此类伪影是不可被完全清除的。
磁化率伪影，也称为磁敏感伪影。磁化率是物质的基本特性之一，某种物质的磁化率是指物质进入外磁场后的此话强度与外磁场强度的比率，铁磁性物质的磁化率很高，除此之外的顺磁性物质磁化率很低，而抗磁性物质磁化率为负值。
在进行MR扫描时，组织中磁化率差别较大的两部分交界处就会出现伪影，表现为局部信号明显减弱或增强，并常伴有组织变形。
梯度回波类序列对磁化率变化比较明显，伪影更为严重，TE延长，磁化率伪影也会随之明显，当体内有金属置入物尤其是铁磁性物质时，可造成非常严重的磁化率伪影。
为了减轻或抑制磁化率伪影，我们需要对受检者进行检查，尽可能去除体内和体表的金属物，对有金属置入物者可考虑在低场MR中受检。匀场在一定程度上可以减轻伪影，SE序列要比GRE或EPI序列在抑制磁化率伪影上更为优秀，增加矩阵、增加频率编码梯度场强度、缩短TE等方式也可以减轻磁化率伪影，一些药物，如顺磁性对比剂可以减少组织磁化率，从而减少磁化率伪影。

磁共振室 陈凯
2014/1/15