低场强磁共振设备优化采集次数提高信噪比的探索
摘要：目的 通过改变低场强磁共振设备的采集次数，观察其对图像信噪比的影响。方法 在TE，TR，读出带宽，层厚，层间距及视野固定的条件下，利用ACR单幅图像法测得采集次数与信噪比的关系，并分析结果产生的原因，在合理扫描时间的前提下，得出最优选择。结果 SE序列，TSE序列，GRE序列，SNR随NEX提升均有上升，采用S-N-K两两比较检验其中SE组和GRE组当NEX为1到6时，两两比较，P<0.01，均具有统计学差异；TSE组NEX为1到5时，两两比较，P<0.01，具有统计学差异，NEX为5与NEX为6比较，P>0.01，无统计学差异。SE序列，TSE序列，GRE序列检查时间随NEX增加均增加。结论 对于低场强磁共振设备，要通过改变NEX取得最优化合理的SNR，SE序列NEX应为6，TSE序列不应大于5，GRE序列应根据实际情况合理选择NEX。
关键词：磁共振设备；信噪比；采集次数
近年来磁共振检查设备在各级医疗机构普及，成为日常诊疗工作中的重要组成部分。检查质量的好坏成为了能否提供正确诊断的关键。而信噪比(Singal-to-Noise Ratio，SNR)是指信号与噪声的比值，是评价磁共振图像质量的重要标准[1-4]。由于低场强磁共振设备场强低，磁场均匀度差，图像信噪比普遍不高。因此如何提高低场强磁共振设备的图像信噪比显得尤为重要。本文针对不同采集次数对图像信噪比的影响进行实验，并分析研究结果。
1资料与方法
1.1实验用设备 磁共振设备为Siemens Megnetom C! 0.35T永磁型磁共振及相应接受线圈。水模采用Siemens标配的测试用水模(每1000 g水模中含1.25 g NiSO4·6H2O及5 gNaCl)。实验用序列分别为自旋回波(SE)，快速自旋回波(FSE)，短时间反转恢复自旋回波(STIR)，梯度回波(GRE)。
1.2序列参数 SE序列(T1加权)：TE：13ms，TR：386 ms，读出带宽(BW)：115 Hz/Px；FSE序列(T2加权)：TE：131 ms，TR：3800 ms，BW：80Hz/Px；STIR序列(T2加权水抑制)：TE：68ms，TR：6040 ms，TI：1900ms，BW：145Hz/Px；GRE序列(T2加权)：TE：32.8 ms，TR：1200ms，翻转角：30°，BW：40 Hz/Px；以上三个序列视野(FOV)均取260 mm*260 mm，层厚均取6mm，层间距均为25%。
1.3实验方法 固定以上序列参数，即SE序列，TSE序列固定TE，TR，BW，FOV，层厚，层间距；GRE序列固定TE，TR，BW，FOV，翻转角，层厚，层间距；NEX分别取1～6进行扫描。每改变一次NEX扫描20组。扫描完成后均取最中间一层用ACR(American College of Radiology)单幅图像法测量信噪比。ACR单幅图像法是基于美国放射协会提出的信噪比测量方法[2]。其计算公式为：
其中S为图像中央感兴趣区平均信号强度，SDair为图像视野边角上空气部分信号的标准差。测量时S取半径约为体模半径90%左右的圆形的信号平均强度；SDair取图像四个角半径约为体模10%左右的圆形信号标准差的均值[3]。最后对20组SNR进行数据分析，记录均值及标准差。
4.统计学方法：采用S-N-K两两比较检验方法。
2结果
2.1不同NEX下SNR的变化，见表1。
2.2不同NEX下序列扫描时间的变化，见表2。
结果分析：从表2可以看出，随着NEX的增加，SE，FSE， GRE序列检查时间有不同程度增加，增加范围在1分6秒至3分38秒。
2.3统计学分析 采用S-N-K两两比较检验方法，对表1的数据进行检验，得出图1～图3。
结果分析：图1～图3可得：
SE组，当NEX为1～6时，两两比较，均具有统计学差异(P<0.01)。TSE组，当NEX为1～5时，两两比较，均具有统计学差异(P<0.01)；当NEX=5与NEX=6比较，无统计学差异(P>0.01)。GRE组，当NEX为1到6时，两两比较，均具有统计学差异(P<0.01)。
3讨论
对于SNR我们有[1] (2)
其中ΔxΔyΔz为体素大小，Ny为相位编码步数，NEX为采集次数，BW为接收带宽。从式(2)可知，SNR与NEX的2次根成正比。其他参数不变，当NEX增加1倍，SNR应增加约1.41倍；NEX增加2倍，SNR应增加约1.73倍。NEX是指每个相位编码数据重复采集的次数。磁共振图像的噪声主要是白噪声，是多在基地线上随意出现的低振幅的变异[5-6]。而增加NEX后，有学者研究指出"由于多次采集，各次测量产生的信号直接相加，而噪声的产生由于具有随机性，因而位置上会有变化，故噪声信号并不是直接相加而是各次噪声平方和的平方根得出[7]"。因此，NEX提高时，信号强度的提升远大于噪声强度的提升，SNR得到了提高。在低场强环境下，如果NEX过低图像噪声很大，SNR不能够满足诊断需求，提升NEX在提升SNR的同时也可以有效减少运动和血流造成的伪影。
但同时我们也应注意到NEX每增加一次，扫描时间就会有不同程度的增加。但由于SNR与NEX的平方根成正比，因此增加NEX的收益是逐渐降低的。NEX提高越多，SNR提升的幅度越小。对于低场强磁共振设备，序列扫描本身时间较长，如NEX增加过多，检查时间将大幅延长，容易使病人产生不适和躁动，影响检查质量。因此，在提高NEX以提高SNR時应同时考虑到检查时间的长短，采取适当的检查时间。从表2可以看出SE序列，当NEX为1～6时检查时间均不长，故在实际检查中可以尽可能增加；虽然TSE序列当NEX为1～6时检查时间也不长，但由于NEX为5和NEX为6时已不具有统计学差异，故实际检查中NEX不应大于5；GRE序列当NEX增加时检查时间增加较多，虽然NEX为1～6时均具有统计学差异应根据患者具体配合情况，选取适当的NEX。
综上所述，磁共振成像和其他医学成像一样，对图像的评价是一个重要的问题。一个病变的诊断符合率取决于图像的质量，取决于图像的指标是否能达到所要求的若干指标[8]。而提高NEX是提高图像SNR的重要手段，在实际工作中要合理平衡SNR和检查时间的平衡。在实际检查中，SE序列NEX可以取6，TSE序列NEX不应大于5，GRE序列应根据具体情况合理选择NEX与扫描时间。
参考文献：
[1]Hashemi RH，Bradley WG.MRI： the basics[M].New York：Williams，1997：167-174.
[2]Price RR，Axel L，Morgan T，et al. Quality assurance methods and phantoms for magnetic resonance imaging.Report of AAPM Nuclear Magnetic[J].Resonance Task Group，1990，17：287-295.
[3]王龙辰，金玮，李逸明，等.3.0T磁共振相控阵线圈信噪比计算方法的定量对比研究[J].中国医疗器械杂志，2013，37(1)：10-13.
[4]康立丽，卢广文，余晓谔，等.MRI扫描参数与信噪比关系的实验研究[J].中华放射学杂志，2003，37(3)：225-227.
[5]邱建峰，王飞跃，王晓燕，等.核磁共振成像质量控制的信噪比分析[J].泰山医学院学报，2008，1：32-35.
[6]John R.Leyendecker，Jeffrey J.Brown.腹盆部MRI实用指南(张文煜，译)[M].天津：天津科技翻译出版公司，2005(1)：21.
[7]张泽宝.医学影像物理学(第2版)[M].北京：人民卫生出版社，2006：137-138.
[8]韩鸿宾.磁共振成像序列设计与应用(第二版)[M].北京：北京大学医学出版社，2007：197.
编辑/丁一, 百拇医药(陈欣)
关键词：磁共振设备；信噪比；采集次数
近年来磁共振检查设备在各级医疗机构普及，成为日常诊疗工作中的重要组成部分。检查质量的好坏成为了能否提供正确诊断的关键。而信噪比(Singal-to-Noise Ratio，SNR)是指信号与噪声的比值，是评价磁共振图像质量的重要标准[1-4]。由于低场强磁共振设备场强低，磁场均匀度差，图像信噪比普遍不高。因此如何提高低场强磁共振设备的图像信噪比显得尤为重要。本文针对不同采集次数对图像信噪比的影响进行实验，并分析研究结果。
1资料与方法
1.1实验用设备 磁共振设备为Siemens Megnetom C! 0.35T永磁型磁共振及相应接受线圈。水模采用Siemens标配的测试用水模(每1000 g水模中含1.25 g NiSO4·6H2O及5 gNaCl)。实验用序列分别为自旋回波(SE)，快速自旋回波(FSE)，短时间反转恢复自旋回波(STIR)，梯度回波(GRE)。
1.2序列参数 SE序列(T1加权)：TE：13ms，TR：386 ms，读出带宽(BW)：115 Hz/Px；FSE序列(T2加权)：TE：131 ms，TR：3800 ms，BW：80Hz/Px；STIR序列(T2加权水抑制)：TE：68ms，TR：6040 ms，TI：1900ms，BW：145Hz/Px；GRE序列(T2加权)：TE：32.8 ms，TR：1200ms，翻转角：30°，BW：40 Hz/Px；以上三个序列视野(FOV)均取260 mm*260 mm，层厚均取6mm，层间距均为25%。
1.3实验方法 固定以上序列参数，即SE序列，TSE序列固定TE，TR，BW，FOV，层厚，层间距；GRE序列固定TE，TR，BW，FOV，翻转角，层厚，层间距；NEX分别取1～6进行扫描。每改变一次NEX扫描20组。扫描完成后均取最中间一层用ACR(American College of Radiology)单幅图像法测量信噪比。ACR单幅图像法是基于美国放射协会提出的信噪比测量方法[2]。其计算公式为：
其中S为图像中央感兴趣区平均信号强度，SDair为图像视野边角上空气部分信号的标准差。测量时S取半径约为体模半径90%左右的圆形的信号平均强度；SDair取图像四个角半径约为体模10%左右的圆形信号标准差的均值[3]。最后对20组SNR进行数据分析，记录均值及标准差。
4.统计学方法：采用S-N-K两两比较检验方法。
2结果
2.1不同NEX下SNR的变化，见表1。
2.2不同NEX下序列扫描时间的变化，见表2。
结果分析：从表2可以看出，随着NEX的增加，SE，FSE， GRE序列检查时间有不同程度增加，增加范围在1分6秒至3分38秒。
2.3统计学分析 采用S-N-K两两比较检验方法，对表1的数据进行检验，得出图1～图3。
结果分析：图1～图3可得：
SE组，当NEX为1～6时，两两比较，均具有统计学差异(P<0.01)。TSE组，当NEX为1～5时，两两比较，均具有统计学差异(P<0.01)；当NEX=5与NEX=6比较，无统计学差异(P>0.01)。GRE组，当NEX为1到6时，两两比较，均具有统计学差异(P<0.01)。
3讨论
对于SNR我们有[1] (2)
其中ΔxΔyΔz为体素大小，Ny为相位编码步数，NEX为采集次数，BW为接收带宽。从式(2)可知，SNR与NEX的2次根成正比。其他参数不变，当NEX增加1倍，SNR应增加约1.41倍；NEX增加2倍，SNR应增加约1.73倍。NEX是指每个相位编码数据重复采集的次数。磁共振图像的噪声主要是白噪声，是多在基地线上随意出现的低振幅的变异[5-6]。而增加NEX后，有学者研究指出"由于多次采集，各次测量产生的信号直接相加，而噪声的产生由于具有随机性，因而位置上会有变化，故噪声信号并不是直接相加而是各次噪声平方和的平方根得出[7]"。因此，NEX提高时，信号强度的提升远大于噪声强度的提升，SNR得到了提高。在低场强环境下，如果NEX过低图像噪声很大，SNR不能够满足诊断需求，提升NEX在提升SNR的同时也可以有效减少运动和血流造成的伪影。
但同时我们也应注意到NEX每增加一次，扫描时间就会有不同程度的增加。但由于SNR与NEX的平方根成正比，因此增加NEX的收益是逐渐降低的。NEX提高越多，SNR提升的幅度越小。对于低场强磁共振设备，序列扫描本身时间较长，如NEX增加过多，检查时间将大幅延长，容易使病人产生不适和躁动，影响检查质量。因此，在提高NEX以提高SNR時应同时考虑到检查时间的长短，采取适当的检查时间。从表2可以看出SE序列，当NEX为1～6时检查时间均不长，故在实际检查中可以尽可能增加；虽然TSE序列当NEX为1～6时检查时间也不长，但由于NEX为5和NEX为6时已不具有统计学差异，故实际检查中NEX不应大于5；GRE序列当NEX增加时检查时间增加较多，虽然NEX为1～6时均具有统计学差异应根据患者具体配合情况，选取适当的NEX。
综上所述，磁共振成像和其他医学成像一样，对图像的评价是一个重要的问题。一个病变的诊断符合率取决于图像的质量，取决于图像的指标是否能达到所要求的若干指标[8]。而提高NEX是提高图像SNR的重要手段，在实际工作中要合理平衡SNR和检查时间的平衡。在实际检查中，SE序列NEX可以取6，TSE序列NEX不应大于5，GRE序列应根据具体情况合理选择NEX与扫描时间。
参考文献：
[1]Hashemi RH，Bradley WG.MRI： the basics[M].New York：Williams，1997：167-174.
[2]Price RR，Axel L，Morgan T，et al. Quality assurance methods and phantoms for magnetic resonance imaging.Report of AAPM Nuclear Magnetic[J].Resonance Task Group，1990，17：287-295.
[3]王龙辰，金玮，李逸明，等.3.0T磁共振相控阵线圈信噪比计算方法的定量对比研究[J].中国医疗器械杂志，2013，37(1)：10-13.
[4]康立丽，卢广文，余晓谔，等.MRI扫描参数与信噪比关系的实验研究[J].中华放射学杂志，2003，37(3)：225-227.
[5]邱建峰，王飞跃，王晓燕，等.核磁共振成像质量控制的信噪比分析[J].泰山医学院学报，2008，1：32-35.
[6]John R.Leyendecker，Jeffrey J.Brown.腹盆部MRI实用指南(张文煜，译)[M].天津：天津科技翻译出版公司，2005(1)：21.
[7]张泽宝.医学影像物理学(第2版)[M].北京：人民卫生出版社，2006：137-138.
[8]韩鸿宾.磁共振成像序列设计与应用(第二版)[M].北京：北京大学医学出版社，2007：197.
编辑/丁一, 百拇医药(陈欣)