MR图像质量与成像参数的相关性及控制对策

MR图像质量与成像参数的相关性及控
制对策
【关键词】 MR图像
摘要：系统研究了MR图像的各种质量指标与各种成像参数的相关性及控制对策。

关键词：MR图像质量；成像参数；相关性；控制对策
影响磁共振成像 (magnetic resonance imaging，MRI)图像质量的因素有两大类，其中一种由生物组织的种类及生理生化特征（如T1、T2、ρ、化学移位、生理运动、毗邻组织的位置、大小）、物理特性（如磁导率、铁蛋白、血黄素含量等）决定，称为内部因素。

另一种是可由人选择控制的，称为外部因素，最主要的有脉冲序列类型；脉冲时间参数：重复时间（repetition time ，TR）、回波时间（echo time ，TE）和反转时间（time of inversion，TI）；顺磁性造影剂和激励脉冲的偏转角。

通常把这四种外部因素统称为脉冲序列对图像质量的影响。

衡量图像质量的指标主要有信噪比（signal noise ratio ，SNR）、对比度噪声比（contrastnoise ratio ，CNR）、空间分辨率和扫描时间等。

在MRI检查中只有掌握各种成像参数与MR图像质量的各种指标的相关性，并合理地加以控制，才能获得可靠的、高质量的MR图像。

1 SNR
图像噪声是一种叠加在MR信号上的随机性干扰成分，主要来源有两种，其一是来自于受刺激组织中的噪声，其二是来自于接收电路的电噪声。

每一例病人都存在噪声，可发生在任何频率，任何时间。

所谓SNR即是在体素V上测得的信号功率与相应噪声功率的比值。

显然，SNR愈高，图像质量愈好。

由于噪声在成像过程中是不可避免的，始终存在的。

所以，除保证系统本身的状态良好外，为了增加SNR，主要应设法增加接收的信号量。

因为增加信号量将使SNR增高，反之将使之降低。

影响信号量的主要因素包括:成像区的质子密度；体素（voxel）的大小；TR、TE和翻转角度；数据采集次数（number of excitations，NEX）;接收带宽；线圈类型等。

11质子密度
影响信号质量的主要因素之一是被检查区的质子密度。

目前医学上用于成像的核是氢核，在被检体内致密骨、肺等由于氢核密度低，故仅能产生低信号，因而使SNR低，MR图像对显示这些结构有局限性。

而脑、软组织等质子密度高，故能产生高信号，因而SNR高，MRI检查较比其它现代医学成像技术有优势。

12 体素大小
影响信号质量的另一个主要因素是体素容积。

容积越大的体素所含质子数量越多，因而SNR越高。

也就是说，图像的SNR与体素容积V成正比。

任何可以改变体素容积大小的参数，也都将影响SNR。

视野（field of view，FOV）、层厚与体素容积成正比，因而也与SNR成正比；像素面积与体素容积成正比，也与SNR成正比；矩阵大小与像素面积成反比，故与SNR成反比，即矩阵越大，SNR愈低。

13 TR、TE和翻转角度
TR是决定纵向磁化恢复的量，因而也决定了下一次激励能有多少纵向磁化转变为横向磁化，并产生信号。

由于TR长时全部纵向磁化得到恢复，因而在下一次激励时，会有更多的横向磁化，产生的信号量更多。

而TR短时，只有部分纵向磁化得到恢复，并在下一次激励时转变为横向磁化，产生的信号量少。

故TR长时，SNR高，而TR短时，SNR低。

TE是决定采集信号前横向磁化的衰减量。

若TE较长，会有相当多的横向磁化被衰减，产生的信号量少，SNR下降；而TE较短时则相反，SNR增高。

翻转角控制着纵向磁化转变为横向磁化的量及在接收范围内感应出信号的多少。

翻转角为90°时，纵向磁化完全转变为横向磁化，产生的信号量最大，SNR最高。

翻转角越小，产生的信号量越少，SNR越低。

仅就SNR而言，自旋回波（spin echo，SE）脉冲序列使用90°射频(radiofreguency，RF)脉冲，使全部纵向磁化均转变为横向磁化，而梯度回波（gradient echo，GRE）脉冲序列使用小于90°的脉冲序列，仅使部分纵向磁化转变为横向磁化。

另外，SE脉冲序列用180°复相位脉冲，比GRE脉冲序列通过梯度反转产生的复相位更有效。

所以SE脉冲序列获取的信号量更多，SNR也会更高。

14 NEX
NEX为数据采集的重复次数。

在数据采集过程中既有信号成份又有噪声成分。

信号是由被扫描物体的固有特征所决定，具体信号总是发生在同一空间位置上，而噪声在发生时间和发生位置上都具有随机性，因此增加数据采样次数，可降低噪声对图像的影响，从而增加SNR。

应该注意的是，SNR的变化与NEX的平方根成正比，即欲使SNR增加原来的2倍，扫描时间需延长至原来的4倍。

15 接收带宽
指读出梯度采样的频率范围。

显然，减小接收的带宽，将使接收到的噪声量相对减少，SNR相应提高。

例如，当接收带宽减少到原来的一半时，SNR大约增加约40%，但同时延长采样时间，并增加化学位移伪影。

一般情况下，系统接受带宽是固定的，例如±16KHz，仅在少数情况下需作调整。

16 线圈类型
线圈的选用是否合适，直接影响信号的接收量，因而也会影响SNR，线圈的半径愈大，SNR愈低。

线圈的几何形状和温度也会影响SNR。

应选择合适的线圈，并使被成像的组织位于线圈的敏感容积中。

综上所述，与GRE脉冲序列相比，SE脉冲序列获得的SNR相对较高；矩阵越小，FOV越大，层面越厚，则体素越大，SNR越高；长TR，短TE将使SNR增高；增加NEX将使SNR增高；选用合适的线圈会使SNR增高。

2 CNR
应该看到，在评价图像质量时，SNR是一项比较重要的技术指标，但是不能把它看作是一项绝对的标准。

临床应用表明，即使SNR很高也不能保证两个相邻结构能有效地被区分开来，因此有价值的诊断图像必须在特性组织和周围正常组织间表现出足够的对比度。

图像的对比度反映了两组织间的相对信号差。

它取决于组织本身的特性。

当病灶与周围组织的图像对比度较小时，在MRI中使用顺磁性造影剂。

SNR则与设备性能有关。

对比度和SNR共同决定了图像的质量，为此定义CNR 来评价两者对图像的共同作用。

其定义是：图像中相邻组织结构间SNR之差，即：CNR=SNR(A)-SNR(B)式中SNR(A)与SNR(B)分别为组织A、B的SNR。

上式表明，只有SNR不同的相邻组织，才能够表现出良好的对比度。

在实际的信号检测中，如果组织间对比度较大，但噪声也很大，则较大的对比度会被较高的噪声所淹没。

如果组织间对比度虽然不大，但是SNR高，所以较小的对比度在图像噪声较小的情况下仍然可以被分辨。

显然，为了将相邻的组织区别开来，要求较高的SNR是重要的，但这并不是充分条件，而取得最佳CNR才是最基本和最重要的。

欲获得良好的CNR，除了相邻的组织及病变MR信号特征上必须存在差异，即T1、T2、质子密度ρ存在差异外，还必须适当选择脉冲序列和决定图像信号加权的成像参数：TE、TR、TI和翻转角度，才能将上述差异显示在图像上。

因此，脉冲序列和决定图像信号加权的成像参数，TE、TR、TI和翻转角均对CNR有直接影响。

此外，CNR也受NEX、体素容积、接收带宽以及线圈类型的影响，这些因素对CNR的影响与对SNR的影响相同。

3 空间分辨率
决定MR图像质量的另一个重要因素是空间分辨率。

它是指图像中可辨认的邻接物体空间几何长度的最小极限。

它反映了图像对细微结构的可分辨能力。

显然，空间分辨率取决于体素的大小。

当体素容积大时，其中包含的各细胞组织产生的MR信号经过平均后，即产生体素的MR信号。

就是说，这个MR信号不是一个体素中一种组织产生的信号，而是体素中各组织产生的MR信号的平均信号强度。

体素容积大则空间分辨率低是因为部分容积效应的结果。

而体素容积小时，能分辨出细微结构，空间分辨率高。

体素尺寸是由三个因素决定的，即FOV、矩阵的大小和层面厚度。

这些都可由操作者根据需要来选择。

成像层面越薄，空间分辨率越高，成像层面越厚，部
分容积效应的影响越显著，空间分辨率就越低。

当FOV一定时，像素矩阵越大，则像素数越多，像素越小，图像越细腻，因而空间分辨率越高。

反之矩阵越小，空间分辨率越低。

当像素矩阵一定时，FOV越小，像素越小，空间分辨率越高；反之，FOV越大，空间分辨率越低。

综上所述，选择薄的成像层面，大的像素矩阵，小的FOV将会提高空间分辨率。

但必须注意到，当其他成像参数不变时，空间分辨率的提高总是伴随着SNR 的下降。

4 扫描时间
扫描时间是指完成数据采集的时间。

以SE序列为例：扫描时间=TR×相位编码次数×NEX。

因此扫描时间与TR、相位编码次数、NEX成正比。

由于扫描时间越长，发生运动伪影的机会越多，在连续采集方式时，仅影响正在采集的层面，而在2D和3D容积采集时，将影响所有层面。

5 MR图像质量的控制对策
当MR图像具有高的SNR和CNR，高的空间分辨率和很短的扫描时间时，则为理想的图像。

但是一种图像质量指标的改善，总是不可避免地伴随着另一种甚至一种以上质量指标的损失。

因此在实际MRI检查中为了改善图像质量，不能只简单地改善某一个质量指标，而是需要研究这些质量指标及与可选择参数之间的相互制约关系，综合考虑目标与可选参数之间的相互影响，恰当地选择各种成像参数，才能得到令人满意的结果。

① 应根据具体的检查目的和检查部位选择适当的脉冲序列。

图像信号的加权参数和扫描平面。

适当的成像序列和图像信号的加权参数是获取良好的SNR和CNR的基本条件。

② 在选择成像参数时要特别注意SNR是影响图像质量的最重要因素。

通常SNR高时，一般都能同时满足对CNR的要求。

避免为追求过高的空间分辨率而牺牲SNR。

例如选择3mm以下的层厚，很大的矩阵和很小（比如8cm）的FOV。

有时，层厚减少1mm并不能显著提高空间分辨率，然而却可造成SNR的严重损失。

而当SNR很低时，再高的空间分辨率也将失去意义。

③ 尽量采用短的扫描时间。

全部检查时间一般不宜超过30min。

避免为追求更高的SNR或空间分辨率而使扫描时间延长。

因为患者在磁体内很难长时间保持不动，咳嗽、打喷嚏、微小的移动均可使图像质量显著下降。

④ 注意人体不同解剖部位信号强弱的差异。

信号较强的部位如头部，使用较大的矩阵，很少的NEX即可获得满意的SNR和CNR；而信号较弱的部位如肺部，则应当是用较小的矩阵并增加NEX的次数。

MRI检查所追求的目标是：在最短的时间内获得准确的足够的信息。

全面了解并掌握各种成像参数对MR图像质量指标的影响及相关性，并在实际中适当地选择各种成像参数从而获得高质量的MR图像有着重要的临床意义。

参考文献
1 霍纪文，王秀章，主编．医学成像技术．沈阳:辽宁科学技术出版社，1994，241~256．
2 Perry Sprawls.Jr著．黄治焯主译．医学成像的物理原理．北京：高等教育出版社，1993，397~406．
3 朱翠玲，等主编．现代医学影像学�D工程与临床．第一版．济南：山东科学技术出版社，2000，310~313．
4 庄天戈，编著．计算机在生物学中的应用．第二版．北京：科学出版社，2000，183~192．
5 张泽宝，主编．医学影像物理学．第一版．北京:人民卫生出版社，2000，148~156．。