多功能MRI质量保证测试体模研究

摘要

磁共振性能参数检测是MRI设备质量保证和质量控制(Quality Assurance&Quality Control，QA&QC)工作的重要内容，而性能测试体模又是性能检测的重要工具。常见MRI测试体模有Magphan体模、AAPM体模、ACR体模和MRI设备随机配备的体模等。许多医院和科研机构多购买上述进口体模或使用MRI设备随机配备体模进行MRI性能测试和质量评价。进口的多功能测试体模依照AAPM报告、ACR质量控制报告、NEMA报告等不同的标准设计，在进行QA&QC时各有侧重，单个多功能测试体模往往不能满足国内MRI设备性能测试与质量评价的需求。且进口的多功能测试体模价格昂贵，多为用于横轴位扫描图像的性能测试，常需购买多个体模才能完成较全面的MRI性能测试。随机配备的体模内部构造相对简单，不同厂家配备的体模差异性较大，多为均匀体模，可测试的性能参数不全面，同样不能满足当前国内外MRI设备的性能检测需求。因此，设计符合当前国内外MRI设备检测需求的多功能、多方位性能检测体模尤为重要。
　　本文介绍了常见MRI测试体模以及MRI相关测试报告，例如AAPM报告、ACR质量控制报告、NEMA报告等。针对目前MRI性能测试体模存在的问题，完成了如下研究工作:
　　(1)本文在综合分析MRI系统性能参数测试方法及参考国内外同类多功能测试体模的基础上设计了两套体模，使之满足当前国内外MRI相关测试与评价的需求，如国家卫生部WS/T263-2006标准、AAPM报告、ACR报告、NEMA标准等。两套体模分别为综合MRI性能测试体模和多功能、多方位MRI性能测试体模。体模外壳和内部功能模块的材料选用聚甲基丙烯酸甲酯(Poly-methylmethacrylate，PMMA)，尼龙螺钉和盖子的材料选用聚甲醛(Poly-formaldehyde)。
　　本文设计的综合MRI性能测试体模和多功能、多方位MRI性能测试体模的主要模块如下:
　　a.层厚测试模块
　　将斜面宽度增加，使斜面影像可离开斜面固定结构，降低干扰并也可用于大样本平均，减少层厚测量的随机测量误差;斜面结构采用“回”字形结构固定避免了固定螺丝的干扰。在“回”字形结构上设计了小圆柱，可用于Ghost伪影的测试，远离其他测试结构，降低干扰。
　　b.空间分辨力测试模块
　　包含三种空间分辨力测试结构，分别为正交线对卡结构、0～180°周期性分布圆孔结构和MTF(Modulation Transfer Function)测试结构。该模块一次扫描可得到多方向的空间分辨力测试结果，无需重复扫描。
　　c.低对比度分辨力测试模块
　　该模块添加了更加丰富、细腻的目标物，在低对比度分辨力的测试方面更具优势;在多功能、多方位性能测试体模中的低对比度分辨力测试模块上又在前述体模的基础上添加了低信号目标物，可模拟病灶略高于或低于背景的情形。
　　d.网格模块
　　该模块可用于磁场特性及几何畸变率的测试。
　　e.几何畸变率
　　在各个功能模块上，设计了多个不过中心点和过中心点的目标物，用于多层面、多方位几何畸变率的测量，应用范围更广。
　　两体模在模块组装方面设计了套管和圆棒的滑动式组装，各个模块组合灵活多样，方便拆卸，更加方便MRI性能测试工作。
　　(2)参考国内外文献报道、相关国内外标准，针对17种溶液进行了溶液配方实验。实验结果显示第2、3、7、8、11、14组方案都适合作为场强小于等于1.5T MRI体模填充液。由于要与一些医疗设备检测中心的体模进行比对实验，本文在可用的几种体模溶液配方中选取了第11组1 g/L的硫酸铜溶液，进行自制体模灌液。对于高场3.0T及以上的MRI体模，需要另行配置体模溶液。
　　(3)在多个厂家生产的9台临床MRI设备上选用MRI常用性能检测序列进行自制体模和Magphan SMR170体模的比对实验，比对分析自制体模和MagphanSMR170体模的MR影像，逐步验证和优化自制体模。
　　(4)基于MALAB平台编制了MRI性能参数测试软件，实现了如下功能:
　　a.层厚
　　在斜面影像上求出多条profile曲线的均值，并利用其一阶导得到斜面影像边界信息，从而得到层厚测量结果。该功能的实现降低了随机误差，提高了抗干扰能力（例如背景不一致、体模摆放倾斜等情形）。
　　b.空间分辨力
　　利用MTF测试结构的影像上得到边缘响应函数(Edge Response Function，ERF)，进而利用其一阶导得到其线扩展函数(Line Spread Function，LSF)，之后利用FFT(Fourier transform)求得MTF曲线。该方法可提高空间分辨力测试的客观性和精度。
　　c.低对比度分辨力
　　自动寻找系列目标物中心，得到上述目标物区域的像素均值和标准偏差，得到系列目标物相邻背景区域的像素均值。利用上述测量值得到对比度噪声比曲线。使低对比度分辨力的测试评价更加简便快捷、精确。
　　d.几何畸变率
　　首先检测出几何畸变测试目标物的边缘，自动测量目标物的长度，与实际值进行比较，进而求得几何畸变率。
　　e.信噪比和影像均匀性
　　自动寻找均匀图像中央区域（约为均匀区域75％），测量该区域内的像素均值、偏差、最大值和最小值，进而求得信噪比和影像均匀性。
　　本文的创新点主要体现在以下几个方面:
　　1) MRI性能测试体模的创新性体现在如下几方面:
　　a.在层厚测试方面，斜面宽度增加，便于获得大样本无固定结构干扰的profile曲线，从而降低了随机误差影响;
　　b.在空间分辨力模块上分别分布着正交线对卡、0～180°周期性分布的小圆孔和MTF测试结构，一次扫描的即可得到平面内多方向的空间分辨力;
　　c.在几何畸变率测试方面，多层面、多目标物的设计，使得多个断层和断层内部多方向的几何畸变率可测试，且可兼顾多个性能测试标准;
　　d.在低对比度分辨力方面，更加丰富、细腻的目标物。在第一套体模基础上改进的多功能、多方位性能测试体模创新点体现在:
　　a.在空间分辨力方面，改进了线对结构的设计。
　　b.在低对比度分辨力方面，在原有目标物的对侧添加了更加丰富、细腻的低信号目标物。
　　c.在Ghost伪影测试方面，添加了用于Ghost伪影测试的小圆柱，可减少其他测试结构的干扰。
　　d.多功能、多方位性能测试体模实现了MRI线圈内部多方位（轴位、冠状位和矢状位）的测试功能。
　　MRI性能测试体模和多功能、多方位MRI性能测试体模的各个功能模块之间圆棒和套管的滑动式组合，方便拆卸和组装。
　　2)基于自制体模编制了MRI性能参数测试软件，实现了常规性能参数半自
　　动测试，提高了测试结果的客观性和精确度，同时也提高了测试效率。
　　因此，自制体模不仅满足了目前国内外MRI性能测试工作，而且还优化了相关性能参数的测试方法。同时，性能测试软件使得MRI性能参数的测试效率提高，测试结果更加客观、精确。并且，本文研究的MRI性能参数检测体模已经获得了国家发明专利和实用新型专利。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景和研究意义

1．2 本文研究内容及论文结构安排

第二章 MRI系统常规性能参数测试方法

2．1 层厚

2．2 空间分辨力

2．3 低对比度分辨力

2．4 磁场特性和Ghost伪影

2．5 几何畸变率

2．6 信噪比和影像均匀性

第三章 MRI体模设计与实现

3．1 体模设计

3．2 体模加工

3．3 体模配液

第四章 体模实验验证

4．1 综合MRI性能测试体模

4．2 多方位、多功能MRI性能测试体模

第五章 MRI性能参数测试软件

5．1 层厚

5．2 空间分辨力

5．3 低对比度分辨力

5．4 几何畸变率

5．5 信噪比和影像均匀性

第六章 总结和展望

参考文献

攻读硕士期间成果

致谢

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