MR圖像質(zhì)量與成像參數(shù)的相關(guān)性及控制對(duì)策

1、    MR圖像質(zhì)量與成像參數(shù)的相關(guān)性及控制對(duì)策作者：張曉檳 金寶榮蘇麗娟 【關(guān)鍵詞】 MR圖像摘要：系統(tǒng) 研究 了MR圖像的各種質(zhì)量指標(biāo)與各種成像參數(shù)的相關(guān)性及控制對(duì)策。關(guān)鍵詞：MR圖像質(zhì)量；成像參數(shù)；相關(guān)性；控制對(duì)策 影響 磁共振成像 (magnetic resonance imaging，MRI)圖像質(zhì)量的因素有兩大類，其中一種由生物組織的種類及生理生化特征（如T1、T2、 、化學(xué)移位、生理運(yùn)動(dòng)、毗鄰組織的位置、大?。?、物理特性（如磁導(dǎo)率、鐵蛋白、血黃素含量等）決定，稱為內(nèi)部因素。另一種是可由人選擇控制的，稱為外部因素，最主要的有脈沖序列類型；脈沖

2、時(shí)間參數(shù)：重復(fù)時(shí)間（repetition time ,TR）、回波時(shí)間（echo time ,TE）和反轉(zhuǎn)時(shí)間（time of inversion,TI）；順磁性造影劑和激勵(lì)脈沖的偏轉(zhuǎn)角。通常把這四種外部因素統(tǒng)稱為脈沖序列對(duì)圖像質(zhì)量的影響。衡量圖像質(zhì)量的指標(biāo)主要有信噪比（signal noise ratio ,SNR）、對(duì)比度噪聲比（contrastnoise ratio ,CNR）、空間分辨率和掃描時(shí)間等。在MRI檢查中只有掌握各種成像參數(shù)與MR圖像質(zhì)量的各種指標(biāo)的相關(guān)性，并合理地加以控制，才能獲得可靠的、高質(zhì)量的MR圖像。1 SNR圖像噪聲是一種疊加在MR信號(hào)上的隨機(jī)性干擾成分，主要來源有

3、兩種，其一是來自于受刺激組織中的噪聲，其二是來自于接收電路的電噪聲。每一例病人都存在噪聲， 可發(fā)生在任何頻率，任何時(shí)間。所謂SNR即是在體素V上測(cè)得的信號(hào)功率與相應(yīng)噪聲功率的比值。顯然，SNR愈高，圖像質(zhì)量愈好。由于噪聲在成像過程中是不可避免的，始終存在的。所以，除保證系統(tǒng)本身的狀態(tài)良好外，為了增加SNR，主要應(yīng)設(shè)法增加接收的信號(hào)量。因?yàn)樵黾有盘?hào)量將使SNR增高，反之將使之降低。影響信號(hào)量的主要因素包括:成像區(qū)的質(zhì)子密度；體素（voxel）的大?。籘R、TE和翻轉(zhuǎn)角度；數(shù)據(jù)采集次數(shù)（number of excitations，NEX）;接收帶寬；線圈類型等。11質(zhì)子密度影響信號(hào)質(zhì)量的主要因素之

4、一是被檢查區(qū)的質(zhì)子密度。 目前 醫(yī)學(xué)上用于成像的核是氫核，在被檢體內(nèi)致密骨、肺等由于氫核密度低，故僅能產(chǎn)生低信號(hào)，因而使SNR低，MR圖像對(duì)顯示這些結(jié)構(gòu)有局限性。而腦、軟組織等質(zhì)子密度高，故能產(chǎn)生高信號(hào)，因而SNR高，MRI檢查較比其它 現(xiàn)代 醫(yī)學(xué)成像技術(shù)有優(yōu)勢(shì)。12 體素大小影響信號(hào)質(zhì)量的另一個(gè)主要因素是體素容積。容積越大的體素所含質(zhì)子數(shù)量越多，因而SNR越高。也就是說，圖像的SNR與體素容積V成正比。任何可以改變體素容積大小的參數(shù)，也都將影響SNR。視野（field of view,FOV）、層厚與體素容積成正比，因而也與SNR成正比；像素面積與體素容積成正比，也與SNR成正比；矩陣大小與

5、像素面積成反比，故與SNR成反比，即矩陣越大，SNR愈低。13 TR、TE和翻轉(zhuǎn)角度TR是決定縱向磁化恢復(fù)的量，因而也決定了下一次激勵(lì)能有多少縱向磁化轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向磁化，并產(chǎn)生信號(hào)。由于TR長時(shí)全部縱向磁化得到恢復(fù)，因而在下一次激勵(lì)時(shí)，會(huì)有更多的橫向磁化，產(chǎn)生的信號(hào)量更多。而TR短時(shí)，只有部分縱向磁化得到恢復(fù)，并在下一次激勵(lì)時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向磁化，產(chǎn)生的信號(hào)量少。故TR長時(shí)，SNR高，而TR短時(shí)，SNR低。TE是決定采集信號(hào)前橫向磁化的衰減量。若TE較長，會(huì)有相當(dāng)多的橫向磁化被衰減，產(chǎn)生的信號(hào)量少，SNR下降；而TE較短時(shí)則相反，SNR增高。翻轉(zhuǎn)角控制著縱向磁化轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向磁化的量及在接收范圍內(nèi)感應(yīng)出信號(hào)

6、的多少。翻轉(zhuǎn)角為90°時(shí)，縱向磁化完全轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向磁化，產(chǎn)生的信號(hào)量最大，SNR最高。翻轉(zhuǎn)角越小，產(chǎn)生的信號(hào)量越少，SNR越低。僅就SNR而言，自旋回波（spin echo,SE）脈沖序列使用90°射頻(radiofreguency,RF)脈沖，使全部縱向磁化均轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向磁化，而梯度回波（gradient echo,GRE）脈沖序列使用小于90°的脈沖序列，僅使部分縱向磁化轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向磁化。另外，SE脈沖序列用180°復(fù)相位脈沖，比GRE脈沖序列通過梯度反轉(zhuǎn)產(chǎn)生的復(fù)相位更有效。所以SE脈沖序列獲取的信號(hào)量更多，SNR也會(huì)更高。14 NEXNEX為數(shù)據(jù)采集的重

7、復(fù)次數(shù)。在數(shù)據(jù)采集過程中既有信號(hào)成份又有噪聲成分。信號(hào)是由被掃描物體的固有特征所決定，具體信號(hào)總是發(fā)生在同一空間位置上，而噪聲在發(fā)生時(shí)間和發(fā)生位置上都具有隨機(jī)性，因此增加數(shù)據(jù)采樣次數(shù)，可降低噪聲對(duì)圖像的影響，從而增加SNR。應(yīng)該注意的是，SNR的變化與NEX的平方根成正比，即欲使SNR增加原來的2倍，掃描時(shí)間需延長至原來的4倍。15 接收帶寬指讀出梯度采樣的頻率范圍。顯然，減小接收的帶寬，將使接收到的噪聲量相對(duì)減少，SNR相應(yīng)提高。例如，當(dāng)接收帶寬減少到原來的一半時(shí)，SNR大約增加約40%，但同時(shí)延長采樣時(shí)間，并增加化學(xué)位移偽影。一般情況下，系統(tǒng)接受帶寬是固定的，例如±16KHz,僅

8、在少數(shù)情況下需作調(diào)整。16 線圈類型線圈的選用是否合適，直接 影響 信號(hào)的接收量，因而也會(huì)影響SNR，線圈的半徑愈大，SNR愈低。線圈的幾何形狀和溫度也會(huì)影響SNR。應(yīng)選擇合適的線圈，并使被成像的組織位于線圈的敏感容積中。綜上所述，與GRE脈沖序列相比，SE脈沖序列獲得的SNR相對(duì)較高；矩陣越小，F(xiàn)OV越大，層面越厚，則體素越大，SNR越高；長TR，短TE將使SNR增高；增加NEX將使SNR增高；選用合適的線圈會(huì)使SNR增高。2 CNR應(yīng)該看到，在評(píng)價(jià)圖像質(zhì)量時(shí)，SNR是一項(xiàng)比較重要的技術(shù)指標(biāo)，但是不能把它看作是一項(xiàng)絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)。臨床 應(yīng)用 表明，即使SNR很高也不能保證兩個(gè)相鄰結(jié)構(gòu)能有效地被區(qū)

9、分開來，因此有價(jià)值的診斷圖像必須在特性組織和周圍正常組織間表現(xiàn)出足夠的對(duì)比度。圖像的對(duì)比度反映了兩組織間的相對(duì)信號(hào)差。它取決于組織本身的特性。當(dāng)病灶與周圍組織的圖像對(duì)比度較小時(shí)，在MRI中使用順磁性造影劑。SNR則與設(shè)備性能有關(guān)。對(duì)比度和SNR共同決定了圖像的質(zhì)量，為此定義CNR來評(píng)價(jià)兩者對(duì)圖像的共同作用。其定義是：圖像中相鄰組織結(jié)構(gòu)間SNR之差，即：CNR=SNR(A)-SNR式中SNR(A)與SNR分別為組織A、B的SNR。上式表明，只有SNR不同的相鄰組織，才能夠表現(xiàn)出良好的對(duì)比度。在實(shí)際的信號(hào)檢測(cè)中，如果組織間對(duì)比度較大，但噪聲也很大，則較大的對(duì)比度會(huì)被較高的噪聲所淹沒。如果組織間對(duì)比

10、度雖然不大，但是SNR高，所以較小的對(duì)比度在圖像噪聲較小的情況下仍然可以被分辨。顯然，為了將相鄰的組織區(qū)別開來，要求較高的SNR是重要的，但這并不是充分條件，而取得最佳CNR才是最基本和最重要的。欲獲得良好的CNR，除了相鄰的組織及病變MR信號(hào)特征上必須存在差異，即T1、T2、質(zhì)子密度存在差異外，還必須適當(dāng)選擇脈沖序列和決定圖像信號(hào)加權(quán)的成像參數(shù)：TE、TR、TI和翻轉(zhuǎn)角度，才能將上述差異顯示在圖像上。因此，脈沖序列和決定圖像信號(hào)加權(quán)的成像參數(shù)，TE、TR、TI和翻轉(zhuǎn)角均對(duì)CNR有直接影響。此外，CNR也受NEX、體素容積、接收帶寬以及線圈類型的影響，這些因素對(duì)CNR的影響與對(duì)SNR的影響相同

11、。3 空間分辨率決定MR圖像質(zhì)量的另一個(gè)重要因素是空間分辨率。它是指圖像中可辨認(rèn)的鄰接物體空間幾何長度的最小極限。它反映了圖像對(duì)細(xì)微結(jié)構(gòu)的可分辨能力。顯然，空間分辨率取決于體素的大小。當(dāng)體素容積大時(shí)，其中包含的各細(xì)胞組織產(chǎn)生的MR信號(hào)經(jīng)過平均后，即產(chǎn)生體素的MR信號(hào)。就是說，這個(gè)MR信號(hào)不是一個(gè)體素中一種組織產(chǎn)生的信號(hào)，而是體素中各組織產(chǎn)生的MR信號(hào)的平均信號(hào)強(qiáng)度。體素容積大則空間分辨率低是因?yàn)椴糠秩莘e效應(yīng)的結(jié)果。而體素容積小時(shí)，能分辨出細(xì)微結(jié)構(gòu)，空間分辨率高。體素尺寸是由三個(gè)因素決定的，即FOV、矩陣的大小和層面厚度。這些都可由操作者根據(jù)需要來選擇。成像層面越薄，空間分辨率越高，成像層面越厚

12、，部分容積效應(yīng)的影響越顯著，空間分辨率就越低。當(dāng)FOV一定時(shí)，像素矩陣越大，則像素?cái)?shù)越多，像素越小，圖像越細(xì)膩，因而空間分辨率越高。反之矩陣越小，空間分辨率越低。當(dāng)像素矩陣一定時(shí)，F(xiàn)OV越小，像素越小，空間分辨率越高；反之，F(xiàn)OV越大，空間分辨率越低。綜上所述，選擇薄的成像層面，大的像素矩陣，小的FOV將會(huì)提高空間分辨率。但必須注意到，當(dāng)其他成像參數(shù)不變時(shí)，空間分辨率的提高總是伴隨著SNR的下降。4 掃描時(shí)間 掃描時(shí)間是指完成數(shù)據(jù)采集的時(shí)間。以SE序列為例：掃描時(shí)間=TR×相位編碼次數(shù)×NEX。因此掃描時(shí)間與TR、相位編碼次數(shù)、NEX成正比。由于掃描時(shí)間越長，發(fā)生運(yùn)動(dòng)偽影的

13、機(jī)會(huì)越多，在連續(xù)采集方式時(shí)，僅影響正在采集的層面，而在2D和3D容積采集時(shí)，將影響所有層面。5 MR圖像質(zhì)量的控制對(duì)策 當(dāng)MR圖像具有高的SNR和CNR，高的空間分辨率和很短的掃描時(shí)間時(shí)，則為理想的圖像。但是一種圖像質(zhì)量指標(biāo)的改善，總是不可避免地伴隨著另一種甚至一種以上質(zhì)量指標(biāo)的損失。因此在實(shí)際MRI檢查中為了改善圖像質(zhì)量，不能只簡單地改善某一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)，而是需要 研究 這些質(zhì)量指標(biāo)及與可選擇參數(shù)之間的相互制約關(guān)系，綜合考慮目標(biāo)與可選參數(shù)之間的相互影響，恰當(dāng)?shù)剡x擇各種成像參數(shù)，才能得到令人滿意的結(jié)果。 應(yīng)根據(jù)具體的檢查目的和檢查部位選擇適當(dāng)?shù)拿}沖序列。圖像信號(hào)的加權(quán)參數(shù)和掃描平面。適當(dāng)?shù)某上裥?/p>

14、列和圖像信號(hào)的加權(quán)參數(shù)是獲取良好的SNR和CNR的基本條件。 在選擇成像參數(shù)時(shí)要特別注意SNR是影響圖像質(zhì)量的最重要因素。通常SNR高時(shí)，一般都能同時(shí)滿足對(duì)CNR的要求。避免為追求過高的空間分辨率而犧牲SNR。例如選擇3mm以下的層厚，很大的矩陣和很?。ū热?cm）的FOV。有時(shí)，層厚減少1mm并不能顯著提高空間分辨率，然而卻可造成SNR的嚴(yán)重?fù)p失。而當(dāng)SNR很低時(shí)，再高的空間分辨率也將失去意義。 盡量采用短的掃描時(shí)間。全部檢查時(shí)間一般不宜超過30min。避免為追求更高的SNR或空間分辨率而使掃描時(shí)間延長。因?yàn)榛颊咴诖朋w內(nèi)很難長時(shí)間保持不動(dòng)，咳嗽、打噴嚏、微小的移動(dòng)均可使圖像質(zhì)量顯著下降。 注意人體不同解剖部位信號(hào)強(qiáng)弱的差異。信號(hào)較強(qiáng)的部位如頭部，使用較大的矩陣，很少的NEX即可獲得滿意的SNR和CNR；而信號(hào)較弱的部位如肺部，則應(yīng)當(dāng)是用較小的矩陣并增加NEX的次數(shù)。MRI檢查所追求的目標(biāo)是：在最短的時(shí)間內(nèi)獲得準(zhǔn)確的足夠的信息。全面了解并掌握各種成像參數(shù)對(duì)MR圖像質(zhì)量指標(biāo)的影響及相關(guān)性，并在實(shí)際中適當(dāng)?shù)剡x擇各種成像參數(shù)從而獲得高質(zhì)量的MR圖像有著重要的臨床意義。 參考  文獻(xiàn) 1 霍紀(jì)文，王秀章，主編醫(yī)學(xué)成像技術(shù)沈陽:遼寧 科學(xué) 技術(shù)