一種核磁共振成像設備穩定性及成像指標的測量方法
2024-01-27 19:37:15
專利名稱：一種核磁共振成像設備穩定性及成像指標的測量方法
技術領域：
本發明涉及一種核磁共振成像設備穩定性及成像指標的測量方法，屬於核磁共振設 備的應用領域。
背景技術：
自1972年第一臺核磁共振掃描儀問世以來，核磁共振成像(Magnetic Resonance Image, MRI)作為一項重要的臨床檢查手段得到了飛速的發展，在臨床診斷工作中發 揮著重要作用。同時，核磁共振的成像方式也與日俱進，出現了包括功能磁共振成像 (flinctional Magnetic Resonance Image, fMRI)在內的一些新的成像技術。但是，作為 一種非常複雜的系統，核磁共振成像受很多因素和環節的影響，設備本身存在諸多不穩 定因素，最後反映為成像質量問題，導致誤診和錯誤的實驗結果。核磁共振成像設備的 運行狀態決定了所得圖像能否準確反映患者的生理學特徵，因此從事核磁共振成像的工 作人員通常需要了解設備的運行狀況。MRI質量保證則是保證MRI臨床診斷質量和基於 MRI的神經科學研究順利進行的前提。匿I質量保證(Quality Assurence，簡稱QA)是指 對MRI設備進行質量檢測、性能評價可及時發現設備存在的問題並加以解決，使MRI設 備的性能達到最佳，保證影像診斷與實驗的正確性。由於磁共振成像的複雜性，因此，磁共振的質量控制也涉及諸多方面。在MRI設備 接收驗收、故障維護後驗收、日常狀態檢測和質量評審時都涉及到QA工作。 一般將測 試分為三種類用驗收檢測、性能檢測、-日常測試。不同階段QA測試工作有所不同。 驗收檢測與性能檢測往往由MRI設備供應商組織專業技術人員在特定的時間進行。所檢 測方法也由設備特殊程序提供。本發明所涉及的QA部分是指日常測試，日常測試由設 備的使用單位在每日開機前後進行的檢測，檢測的項目是關鍵的幾項成像參數，日常測 試側重於重要而不耗時的指標，並為趨勢分析積累數據， 一般安排在早晨開機後正式檢 查病人之前進行，測試通過模擬人體組織磁學參數的水模，掃描後檢測信噪比、層厚、 空間解析度及線性。此外共振頻率與RF功率也需要記錄；在記錄測試結果的同時，測 試參數也需要記錄，特別是測試時釆用了專門的脈衝序列。在國外，從事磁共振質量控制的是專門的磁共振工程師。由於國內條件受限，監測 磁共振運行狀況的責任通常由放射技師擔任。據統計顯示，我國目前磁共振儀器的運行 狀況並未完全達標。目前所存在的問題主要如下(1)測試工作的繁瑣 一般地，用於 臨床的核磁共振成像設備在每天掃描病人之前，都要進行設備的QA測試，即用MRI 掃描機對水模進行掃描，然後對掃描圖像根據相關方法進行處理與測量，得到QA指標 並進行分析與記錄。這一工作主要由手工完成，過程繁瑣；(2)測試具有很強的主觀性， 由於手工選擇ROI區域或中軸線等缺乏統一標準，數據受操作者的影響；G)參數的記 錄與保存主要靠手工進行，不利於長期保存與對歷史數據的統計性分析。設備的狀態和 其改變是通過較長時間的QA數據統計得出來的，缺乏統計是無法充分發揮QA工作重 要性的，這也是QA工作沒有得到充分執行的原因。雖然目前有不少相關的專業軟體完 成QA過程，但這些軟體往往由MRI設備供應商提供，不具備通用的掃描數據處理能 力和簡單的外部數據接口。另一方面有些專業功能強大，但執行過程人工幹預過多，操 作複雜，甚至需要進行一些編程設計，不利於放射技師工作。這就迫切需要一套針對磁 共振儀器質量控制的、簡單易行的方法。 發明內容本發明的目的是針對現有技術的不足而提出一種核磁共振成像設備穩定性及成像 指標的測量方法，其特點是客觀、自動地檢測和分析設備的穩定性參數，避免人工檢測 所帶的主觀性。本發明的目的由以下技術措施實現核磁共振成像設備穩定性及成像指標的測量方法包括以下步驟1利用DICOM協議完成核磁共振成像質量保證(QA)過程控制(1) 伺服器端(SCP)以監聽埠的方式隨時保持接收狀態，當收到客戶端(SCU， 這裡是MRI設備工作站)的關聯請求時，接受關聯請求並判斷服務類型是否為存儲類型， 若是則接受，否則拒絕並繼續監聽；(2) 接收消息數據，對接收的消息數據，判斷是否為釋放關聯請求，若是則釋放關聯， 並執行步驟(3),否則執行步驟(4);(3) 當判斷消息數據為釋放關聯請求時，釋放關聯並判斷是否為質量保證的圖像數 據(DQA)，若是則執行步驟3，繼續監聽，否則結束關聯，繼續保持監聽狀態；(4)當接收的消息數據不是釋放關聯請求時，執行步驟2，並重複步驟(2); 2提取數據並寫入資料庫(1) 解析接收到的數據包，根據DICOM控制標籤判斷是否接受數據，這裡選擇控制 標籤為病人姓名(PatientName),如果病人姓名為"mriDQA"或"fmriDQA"，則接受 數據，並繼續下一步，否則結束；(2) 根據DICOM控制標籤檢查統一標識符(StudyUID)判斷是否寫入資料庫，若 是則繼續下一步，否則結束；(3) 在資料庫中建立新記錄，寫入日期、掃描協議、中心頻率(AX)和放大倍數， 並將數據存儲路徑寫入資料庫；3核磁共振成像質量保證指標分析測量當伺服器端接收到釋放關聯請求時，釋放關聯並啟動程序開始核磁共振成像質量保 證(QA)指標的檢測和計算，其步驟為(1)根據標籤判斷是否為fMRI數據，若是則按如下步驟計算QA指標；① 計算圖像信噪比(SNR);用迭帶閾值法分割將圖像分割為背景區和前景，前景 即為圓形水模圖像，在圓形水模圖像以圓心為中心選擇80%圓面積區域的為信號區感興 趣區域(ROI);圓形水模圖像以外區域為背景區，對背景區域用迭帶閾值法再次分割， 獲得ghost偽影區和背景噪聲區，在背景噪聲區的左右對稱外側選取2%圖像面積為感興 趣區域(ROI)，提取信號區感興趣區域平均灰度值和噪聲區感興趣區域標準差，計算二 者之比即得到圖像信噪比(SNR);② 測量圖像的均勻度；對分割後圖像的信號區，在選定的感興趣區域(ROI)區域 內求出圖像最亮點和最暗點的信號值，按公式計算圖像的均勻度；③ 測量圖像扭曲度；用迭帶閾值法分割圖像，對圖像的前景用變換角度的搜索算 法求其最大直徑丄_ 、最小直徑丄目及平均直徑、，計算圖像的扭曲度D: D= ( _丄圃)/4"④ 圖像的ghost偽影(GSR);用迭帶閾值法分割圖像，對己分割圖像的噪聲區進行再次圖像分割，前景為gh0St偽影區，背景為噪聲區，即可求得圖像的gh0St偽影GSR= (ghost偽影平均值一噪聲區平均值)/信號區平均值⑤計算圖像序列的信號漂移；對圖像時間序列的一個選定區域，逐個記錄其信號值，用擬合曲線表示其變化趨勢，並計算漂移值Shift=,/max 一/:， ， Smax、乙d為圖像時間序列中選定區域信號的最大、最小值；將擬合值與實際值相減，其差值用快 速傅立葉變換得到其頻譜，在頻譜中搜索極大值，將其幅度值和頻率寫入資料庫；(2) 若判斷不是功能磁共振成像(預RI)數據，則按如下步驟計算MRI質量保證(QA)指標① 計算圖像信噪比；在圖像序列中選擇一幅圖像，用迭帶閾值法分割將圖像分割 為背景和前景，在背景和前景中選擇噪聲區和信號區的感興趣區域，提取信號區感興趣 區域平均灰度值和噪聲區感興趣區域標準差，計算二者之比即得到圖像信噪比；② 測量圖像的均勻度；對分割後圖像的信號區，在選定的感興趣區域內求出圖像 最亮點和最暗點的信號值，依公式計算圖像的均勻度；③ 測量圖像的線性度；在已知水模中尺寸的前提下，根據水模在圖像中對應頻率 和相位編碼方向上的長度，算出圖像的線性度；(3) 將計算得到的QA指標信息寫入資料庫；(4) 將計算結果與標準數據及歷史平均數據對比，超出範圍則給出提示。
圖1為DICOM協議完成QA過程控制流程2為QA數據提取與資料庫的寫入流程3為QA測量的執行流程圖
具體實施例方式下面通過實施例對本發明進行具體的描述，有必要在此指出的是本實施例只用於對 發明進行進一步說明，但不能理解為對本發明保護範圍的限制，該領域的技術熟練人員 可以根據上述本發明的內容做一些非本質的改進和調整。實施例客戶端將掃描水模的圖像序列利用DICOM協議發送到伺服器端(伺服器端是QA數 據工作站，客戶端為設備工作站)，伺服器端經過判斷決定是否存儲和啟動QA分析流程。 伺服器端利用DICOM協議完成QA過程控制按以下步驟實現(1) 接收到客戶端的關聯請求消息時，解碼消息並判斷是否為存儲類，若是則構建 應答信息A-AssociateACPDU，客戶端開始傳送數據；否則拒絕。(2) 伺服器端接收消息數據，解碼並判斷是否為釋放關聯請求消息；若是且判斷數 據為DQA數據時，釋放關聯開始QA分析流程。若否則繼續接數據消息，執行步驟3，直 至接收到釋放關聯請求。(3)解析接收到的數據包，在DICOM控制標籤PatientName和 Study UID符合接收條件前提下，在資料庫中建立新記錄，寫入日期、掃描協議、中心 頻率和放大倍數AX，並將數據存儲路徑寫入資料庫。當伺服器端收到客戶端釋放關聯的消息時，依據PatientName標籤啟動相應的過程 開始QA數據的測量。若PatientName標籤值為"fmriDQA"，則判斷為fMRI數據，測量 內容包括信噪比、圖像均勻度、扭曲度、ghost偽影和信號漂移。下面介紹各項指標的測量過程(1)信噪比(SNR);用迭帶閾值法分割DICOM圖像，將圖像分割前景和背景， 前景即為中央區域掃描水模的部分，背景為燥聲信號；選擇感信號和燥聲的感興趣區域 (ROI)，根據圖像的像素確定圖像的中心點，以圖像的中心為圓心畫圓，選擇適當的半 徑，使得所畫圓的面積為前景區域的70%，這個圓所圍的區域為選擇的信號區的感興趣 區域(ROI)。在選取噪聲區的感興趣區域時，由於存在ghost偽影，應當避開偽影區。 對噪聲區進行再次圖像分割，分割後的背景為噪聲區，前景為ghost偽影區，在背景中選 取噪聲區RCH則可以避開偽影區。提取信號區感興趣區域平均灰度值和噪聲區感興趣區 域標準差，二者之比即為所求得信噪比。(2) 扭曲度；扭曲度反映了物體形狀在圖像上的改變，例如用圓形水模掃描在圖 像可能為橢圓。在進行幾何變形的扭曲度的計算之前，要對圖像進行分割，方法同樣採 用迭帶閾值法。 —扭曲度關注的是圖像分割的前景(水模)，首先要找到前景的幾何中心。這裡我們 將前景的橫、縱坐標的平均值作為中心點的橫、縱坐標。求角度為零時過中心點的軸與 前景邊緣的交點，計算並記錄兩交點的距離。變換角度，重複上步，得到經過中心點的 軸長的最大直徑丄_、最小直徑丄皿及平均直徑、，用公式D-(A^ — ；m)/、計算圖像的扭曲度。(3) 圖像均勻度(PIU);圖像均勻度指的是圖像信號強度響應的均勻程度，它描 述了MRI系統對體模內同一物質區域的再現能力。測量圖像均勻度首先需要分割圖像，這裡同樣採用迭帶閾值法。在分割後圖像的水 模部分，以中心坐標為圓心畫圓，使圓的面積為水模圖像面積的70%，該圓形區域作為 均勻度測量的ROI。相同的ROI中分別測得圖像最亮點和最暗點的信號值/2、 按下 面公式計算圖像的均勻度/2 -APIU=(1 - , +/ )X 100%(4) ghost偽影；fMRI圖像序列不可避免的會出現較大的ghost偽影，對採集到的 信號造成影響。嚴格控制ghost偽影的大小，也是fMRIQA的一個重要方面。為了測量 Ghost-to-signal ratio(GSR)，需要對SNR測量中分割的圖像進行再次圖像分割，具體方法 為對圖像分割所得圖像的背景，採用迭代閾值法進行再次分割，分割後的背景為噪聲 區域，前景為ghost偽影區域；在背景和前景區域中選擇適當的感興趣區域(ROI)，作 為噪聲信號和ghost偽影信號，用水模部分的感興趣區域作為信號區，按下面公式計算圖 像的GSR:GSR=( mean of ghost ROI—mean noise ROI) / (mean signal ROI)(5) 信號漂移fMRI序列是信號隨時間變化的動態展示， 一個時間序列中圖像與圖像間成像的穩定性顯得極為重要。因此，其受控因素除了常規因素外，還有信號漂移。 信號漂移是反映穩定性的重要指標。由於磁共振成像設備性能的不穩定性最終都會表現 為圖像灰度的不穩定性。因此檢測同一圖像區域信號的變化過程是一種簡單的評價磁共 振成像設備穩定性的方法。獲取不同時間點水膜圖像的中心區域，計算其圖像序列的漂移3,,，—/，,， ， Smax、 S^為圖像序列選定區域的信號時間序列上的最大、最小值；用二次曲線來擬合分析其變化趨勢。將擬合值與實際值相減，其差值用快 速傅立葉變換得到其頻譜。在頻譜中搜索極大值，將其幅度值和頻率寫入資料庫。若若PatientName標籤值為"mriDQA",則判斷為普通MRI數據，則測量的QA指標 信息包括信噪比、線性度、圖像均勻度和信號漂移。其中圖像均勻度和信號漂移的測 量方式與fMRI相同，這裡介紹普通MRI的信噪比和線性度測量方法信噪比用迭帶閾值法分割圖像，在前景中選取信號區感興趣區域，方法與fMRI 選取方法相同；對背景區，此時不需要考慮ghost偽影，在四個角上的區域選擇噪聲信號的感興趣區域以整幅像邊長的一半為半徑、以圖像中心為圓心畫圓，以所畫圓 與對角線的交點為圓心，選擇適當半徑確定感興趣區域，使其面積為整幅圖象的2%。線性度線性度的檢測需要水模裡有一系列距離已知的定標點，本發明利用水模的 已知尺寸來進行定標。圖像線性的好壞一般用畸變百分率來表示。畸變越大圖像線性越 差，畸變越小圖像線性越好。圖象的線性度計算公式為LF = (X—I)/IX100%、 Lp二(Y —I)/IX100%;其中I為實際長度；LF為頻率編碼方向上的線性度，X是在頻率編碼方向上的長度；Lp相位編碼方向上的線性度，Y為在相位編碼方向上的長度。在完成以上QA指標計算後，將計算結果寫入資料庫保存。同時啟動測量結果的比 較工作(1) 考察圖像均勻度(PIU)、信號漂移(shift)和ghost偽影(GSR)是否在允許範 圍(PIU>82%、 shift<l%、 GSR<3%);(2) 將圖象信噪比、扭曲度與歷史平均值比較，考察是否在設定範圍(一般設定 為差值不超過標準差)；(3) 信號漂移處理後的頻譜，考察極大值與幅度平均值的差值是否在1.5倍標準差範圍。本實施例中，掃描水模用普通MRI，按以上步驟測得信噪比628，圖像均勻度91.70%， 線性度1^=0.87%、 LP = 0.74%，信號漂移0.59%，所有結果都在允許範圍。在對計算結果處理中，任何一項指標超出範圍，則彈出對話框提示，在提示對話框 中說明異常指標項。
權利要求
1.一種核磁共振成像設備穩定性及成像指標的測量方法，其特徵在於該方法包括以下步驟(1)利用DICOM協議完成核磁共振質量保證過程控制①伺服器端以監聽埠的方式隨時保持接收狀態，當收到客戶端的關聯請求時，接受關聯請求並判斷服務類型是否為存儲類型，若是則接受，否則拒絕並繼續監聽；②接收消息數據，對接收的消息數據，判斷是否為釋放關聯請求，若是則釋放關聯，並執行步驟③，否則執行步驟④；③當判斷消息數據為釋放關聯請求時，釋放關聯並根據判斷是否為質量保證數據的圖像數據，若是則執行步驟(3)，並繼續監聽，否則結束關聯，繼續保持監聽狀態；④當接收的消息數據不是釋放關聯請求時，執行步驟(2)，重複步驟②；(2)提取數據並寫入資料庫①解析接收到的數據包，根據DICOM標籤判斷是否接受數據，若是則繼續下一步，否則結束；②根據DICOM標籤判斷是否寫入資料庫，若是則繼續下一步，否則結束；③在資料庫中建立新記錄，寫入日期、掃描協議、中心頻率和放大倍數，並將數據存儲路徑寫入資料庫；(3)核磁共振成像質量保證指標分析測量當伺服器端接收到釋放關聯請求時，釋放關聯並啟動程序開始核磁共振質量保證指標的檢測和計算，其步驟為①根據標籤判斷是否為功能磁共振數據，若是則按如下步驟計算核磁共振質量保證指標；a計算圖像信噪比；用迭帶閾值法分割將圖像分割為背景區和前景，在前景中選擇信號區的感興趣區域；對噪聲區用迭帶閾值法再次分割，在背景區選擇噪聲區感興趣區域，提取信號區感興趣區域平均灰度值和噪聲區感興趣區域的標準差，計算二者之比即得到圖像信噪比；b測量圖像的均勻度；對分割後圖像的信號區，在選定的感興趣區域內求出圖像最亮點和最暗點的信號值，按公式計算圖像的均勻度；c測量圖像扭曲度；用迭帶閾值法分割圖像，對圖像的前景用變角度搜索算法求其最大直徑Lmax、最小直徑Lmin及平均直徑Lm，計算圖像的扭曲度DD＝(Lmax-Lmin)/Lm；d圖像的ghost偽影；用迭帶閾值法分割圖像，對已分割圖像的噪聲區進行再次圖像分割，前景為ghost偽影區，背景為噪聲區，即可求得圖像的ghost偽影圖像的ghost偽影＝(ghost偽影平均值-噪聲區平均值)/信號區平均值e計算圖像序列的信號漂移；對圖像時間序列的一個選定區域，逐個記錄其信號值，用擬合曲線表示其變化趨勢，並計算漂移值shift<![CDATA[ shift= S max- S min ( Smax + Smin )/2 , ]]> top= "83" left = "125"/>Smax、Smin為圖像時間序列中選定區域信號的最大、最小值；將擬合值與實際值相減，其差值用快速傅立葉變換得到其頻譜，在頻譜中搜索極大值，將其幅度值和頻率寫入資料庫；②若判斷不是功能磁共振數據，則按以下步驟計算核磁共振質量保證指標a計算圖像信噪比；在圖像序列中選擇一幅圖像，用迭帶閾值法分割將圖像分割為背景和前景，在背景和前景中選擇噪聲區和信號區的感興趣區域，提取信號感興趣區域平均灰度值和噪聲感興趣區域的標準差，計算二者之比即得到圖像信噪比；b測量圖像的均勻度；對分割後圖像的信號區，在選定的感興趣區域內求出圖像最亮點和最暗點的信號值，依公式計算圖像的均勻度；c測量圖像的線性度；在已知水模中尺寸的前提下，根據水模在圖像中對應頻率和相位編碼方向上的長度，算出圖像的線性度；③將計算得到的核磁共振質量保證指標信息寫入資料庫；④將計算結果與標準數據及歷史平均數據對比，超出範圍則給出提示。
全文摘要
本發明公開了一種核磁共振成像設備穩定性及成像指標的測量方法。其特點是通過核磁共振成像機掃描水模獲得水模的圖像，圖像通過DICOM協議傳輸至特定的核磁共振成像質量保證分析工作站，質量保證分析工作站即自行啟動並根據DICOM控制元素進入相應測量程序(流程參考摘要附圖1)，對水模圖像進行處理與計算，測量內容包括常規核磁共振成像質量保證指標和對功能磁共振成像具有重要意義的漂移等指標，同時設立自動預警機制，對異常情況進行自動提示並給出可能存在的原因，所有測量結果都將被送進資料庫以供對數據的長期分析和對設備運行狀態進行評估，為相關技術人員掌握設備狀態，進行設備檢測提供指導。
文檔編號G01R33/54GK101322648SQ20081004566
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月29日 優先權日2008年7月29日
發明者粟 呂, 唐鶴菡, 幸浩洋, 王存玖, 黃曉琦, 龔啟勇 申請人:四川大學華西醫院