MR圖像質量與成像參數(shù)的相關性及控制對策

1、    MR圖像質量與成像參數(shù)的相關性及控制對策作者：張曉檳 金寶榮蘇麗娟 【關鍵詞】 MR圖像摘要：系統(tǒng) 研究 了MR圖像的各種質量指標與各種成像參數(shù)的相關性及控制對策。關鍵詞：MR圖像質量；成像參數(shù)；相關性；控制對策 影響 磁共振成像 (magnetic resonance imaging，MRI)圖像質量的因素有兩大類，其中一種由生物組織的種類及生理生化特征（如T1、T2、 、化學移位、生理運動、毗鄰組織的位置、大?。⑽锢硖匦裕ㄈ绱艑?、鐵蛋白、血黃素含量等）決定，稱為內部因素。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、時間參數(shù)：重復時間（repetition time ,TR）、回波時間（echo time ,TE）和反轉時間（time of inversion,TI）；順磁性造影劑和激勵脈沖的偏轉角。通常把這四種外部因素統(tǒng)稱為脈沖序列對圖像質量的影響。衡量圖像質量的指標主要有信噪比（signal noise ratio ,SNR）、對比度噪聲比（contrastnoise ratio ,CNR）、空間分辨率和掃描時間等。在MRI檢查中只有掌握各種成像參數(shù)與MR圖像質量的各種指標的相關性，并合理地加以控制，才能獲得可靠的、高質量的MR圖像。1 SNR圖像噪聲是一種疊加在MR信號上的隨機性干擾成分，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，任何時間。所謂SNR即是在體素V上測得的信號功率與相應噪聲功率的比值。顯然，SNR愈高，圖像質量愈好。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，主要應設法增加接收的信號量。因為增加信號量將使SNR增高，反之將使之降低。影響信號量的主要因素包括:成像區(qū)的質子密度；體素（voxel）的大??；TR、TE和翻轉角度；數(shù)據(jù)采集次數(shù)（number of excitations，NEX）;接收帶寬；線圈類型等。11質子密度影響信號質量的主要因素之

4、一是被檢查區(qū)的質子密度。 目前 醫(yī)學上用于成像的核是氫核，在被檢體內致密骨、肺等由于氫核密度低，故僅能產生低信號，因而使SNR低，MR圖像對顯示這些結構有局限性。而腦、軟組織等質子密度高，故能產生高信號，因而SNR高，MRI檢查較比其它 現(xiàn)代 醫(yī)學成像技術有優(yōu)勢。12 體素大小影響信號質量的另一個主要因素是體素容積。容積越大的體素所含質子數(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和翻轉角度TR是決定縱向磁化恢復的量，因而也決定了下一次激勵能有多少縱向磁化轉變?yōu)闄M向磁化，并產生信號。由于TR長時全部縱向磁化得到恢復，因而在下一次激勵時，會有更多的橫向磁化，產生的信號量更多。而TR短時，只有部分縱向磁化得到恢復，并在下一次激勵時轉變?yōu)闄M向磁化，產生的信號量少。故TR長時，SNR高，而TR短時，SNR低。TE是決定采集信號前橫向磁化的衰減量。若TE較長，會有相當多的橫向磁化被衰減，產生的信號量少，SNR下降；而TE較短時則相反，SNR增高。翻轉角控制著縱向磁化轉變?yōu)闄M向磁化的量及在接收范圍內感應出信號

6、的多少。翻轉角為90°時，縱向磁化完全轉變?yōu)闄M向磁化，產生的信號量最大，SNR最高。翻轉角越小，產生的信號量越少，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變?yōu)闄M向磁化。另外，SE脈沖序列用180°復相位脈沖，比GRE脈沖序列通過梯度反轉產生的復相位更有效。所以SE脈沖序列獲取的信號量更多，SNR也會更高。14 NEXNEX為數(shù)據(jù)采集的重

7、復次數(shù)。在數(shù)據(jù)采集過程中既有信號成份又有噪聲成分。信號是由被掃描物體的固有特征所決定，具體信號總是發(fā)生在同一空間位置上，而噪聲在發(fā)生時間和發(fā)生位置上都具有隨機性，因此增加數(shù)據(jù)采樣次數(shù)，可降低噪聲對圖像的影響，從而增加SNR。應該注意的是，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減少，SNR相應提高。例如，當接收帶寬減少到原來的一半時，SNR大約增加約40%，但同時延長采樣時間，并增加化學位移偽影。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)情況下需作調整。16 線圈類型線圈的選用是否合適，直接 影響 信號的接收量，因而也會影響SNR，線圈的半徑愈大，SNR愈低。線圈的幾何形狀和溫度也會影響SNR。應選擇合適的線圈，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；選用合適的線圈會使SNR增高。2 CNR應該看到，在評價圖像質量時，SNR是一項比較重要的技術指標，但是不能把它看作是一項絕對的標準。臨床 應用 表明，即使SNR很高也不能保證兩個相鄰結構能有效地被區(qū)

9、分開來，因此有價值的診斷圖像必須在特性組織和周圍正常組織間表現(xiàn)出足夠的對比度。圖像的對比度反映了兩組織間的相對信號差。它取決于組織本身的特性。當病灶與周圍組織的圖像對比度較小時，在MRI中使用順磁性造影劑。SNR則與設備性能有關。對比度和SNR共同決定了圖像的質量，為此定義CNR來評價兩者對圖像的共同作用。其定義是：圖像中相鄰組織結構間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)出良好的對比度。在實際的信號檢測中，如果組織間對比度較大，但噪聲也很大，則較大的對比度會被較高的噪聲所淹沒。如果組織間對比

10、度雖然不大，但是SNR高，所以較小的對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信號特征上必須存在差異，即T1、T2、質子密度存在差異外，還必須適當選擇脈沖序列和決定圖像信號加權的成像參數(shù)：TE、TR、TI和翻轉角度，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加權的成像參數(shù)，TE、TR、TI和翻轉角均對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CNR的影響與對SNR的影響相同

11、。3 空間分辨率決定MR圖像質量的另一個重要因素是空間分辨率。它是指圖像中可辨認的鄰接物體空間幾何長度的最小極限。它反映了圖像對細微結構的可分辨能力。顯然，空間分辨率取決于體素的大小。當體素容積大時，其中包含的各細胞組織產生的MR信號經過平均后，即產生體素的MR信號。就是說，這個MR信號不是一個體素中一種組織產生的信號，而是體素中各組織產生的MR信號的平均信號強度。體素容積大則空間分辨率低是因為部分容積效應的結果。而體素容積小時，能分辨出細微結構，空間分辨率高。體素尺寸是由三個因素決定的，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、，部分容積效應的影響越顯著，空間分辨率就越低。當FOV一定時，像素矩陣越大，則像素數(shù)越多，像素越小，圖像越細膩，因而空間分辨率越高。反之矩陣越小，空間分辨率越低。當像素矩陣一定時，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將會提高空間分辨率。但必須注意到，當其他成像參數(shù)不變時，空間分辨率的提高總是伴隨著SNR的下降。4 掃描時間 掃描時間是指完成數(shù)據(jù)采集的時間。以SE序列為例：掃描時間=TR×相位編碼次數(shù)×NEX。因此掃描時間與TR、相位編碼次數(shù)、NEX成正比。由于掃描時間越長，發(fā)生運動偽影的

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

14、列和圖像信號的加權參數(shù)是獲取良好的SNR和CNR的基本條件。 在選擇成像參數(shù)時要特別注意SNR是影響圖像質量的最重要因素。通常SNR高時，一般都能同時滿足對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，很大的矩陣和很小（比如8cm）的FOV。有時，層厚減少1mm并不能顯著提高空間分辨率，然而卻可造成SNR的嚴重損失。而當SNR很低時，再高的空間分辨率也將失去意義。 盡量采用短的掃描時間。全部檢查時間一般不宜超過30min。避免為追求更高的SNR或空間分辨率而使掃描時間延長。因為患者在磁體內很難長時間保持不動，咳嗽、打噴嚏、微小的移動均可使圖像質量顯著下降。 注意人體不同解剖部位信號強弱的差異。信號較強的部位如頭部，使用較大的矩陣，很少的NEX即可獲得滿意的SNR和CNR；而信號較弱的部位如肺部，則應當是用較小的矩陣并增加NEX的次數(shù)。MRI檢查所追求的目標是：在最短的時間內獲得準確的足夠的信息。全面了解并掌握各種成像參數(shù)對MR圖像質量指標的影響及相關性，并在實際中適當?shù)剡x擇各種成像參數(shù)從而獲得高質量的MR圖像有著重要的臨床意義。 參考  文獻 1 霍紀文，王秀章，主編醫(yī)學成像技術沈陽:遼寧 科學 技術