磁共振成像信噪比的评价方法.pdf

1、149http:/临床研究 | Clinical Articles磁共振成像 2012年第3卷第2期 Chin J Magn Reson Imaging, 2012, Vol 3, No 2摘要 从 技 术 层 面 分 别 介 绍 了 以 美 国 电 气 制 造 商 协 会 (National Electrical Manufacturers Association, NEMA)等 标 准 为 基 础 的 磁 共 振 成 像 系 统 信 噪 比 评 估 方法 和 西 门 子 磁 共 振 成 像 系 统 信 噪 比 评 估 方 法 ， 并 指 出 了 西 门 子 磁 共 振 信 噪 比 评价方法

2、较NEMA等标准所体现出来的优势。关键词 磁共振成像；信噪比；NEMAEvaluation Methodology of MRI SNR HUANG Yan-tu1*, HE Chao-ming21SW Department, Siemens Shenzhen Magnetic Resonance Ltd., Shenzhen 518057, China2ST Department, Siemens Shenzhen Magnetic Resonance Ltd., Shenzhen 518057, China 518057 *Correspondence to: Huang YT, E-ma

3、il: Received 13 Dec 2011; Accepted 13 Feb 2012Abstract From technical perspective, this article introduces the evaluation methodology of MRI signal-to-noise ratio (SNR) based on National Electrical Manufacturers Association (NEMA) standard, Siemens evaluation methodology of MRI SNR and other standar

4、ds. In addition, it figures out the advantage of Siemens evaluation methodology of MRI SNR in comparison with the evaluation methodology based on NEMA and other standards. Key words Magnetic resonance imaging; Signal-to-noise ratio; NEMA 作者单位：1. 西门子 ( 深圳) 磁共振有限公司软件部，广东 深圳 5180572. 西门子 ( 深圳) 磁共振有限公司系

5、统部，广东 深圳 518057通讯作者：黄 艳 图 ， E - m a i l : y a n t u . h u a n g 收稿日期：201 1-12-13接受日期：2012-02-13中图分类号：R 445.2文献标识码：ADOI: 10.3969/j.issn.1674-8034.2012.02.012黄 艳 图 ， 何 超 明 , 等 . 磁 共 振 成 像 信 噪比的评价方法. 磁共振成像, 2012, 3(2): 149-152.磁共振成像信噪比的评价方法黄艳图1*，何超明2图 像 信 噪 比 是 医 用 磁 共 振 系 统 性 能 的 重 要 指标 ， 是 各 种 认 证 机

6、构 对 磁 共 振 设 备 准 入 认 证 进 行 技术 评 判 的 量 化 指 标 ， 也 是 磁 共 振 厂 商 提 供 性 能 自 我评 价 ,尤 其 是 线 圈 性 能 的 方 法 依 据 。 笔 者 从 技 术 层 面分 别 介 绍 以 美 国 电 气 制 造 商 协 会 (National Electrical Manufacturers Association, NEMA)标 准 为 基 础 的 磁 共振 成 像 系 统 信 噪 比 评 估 方 法 和 西 门 子 磁 共 振 成 像 系统信噪比评估方法。1 NEMA标准NEMA对 磁 共 振 成 像 制 定 了 一 系 列 的

7、标 准 ，其 中 就 有 磁 共 振 成 像 信 噪 比 标 准1-3 NEMA MS 1-2008， NEMA MS 6-2008， NEMA MS 9-2008， 这三 个 标 准 分 别 作 用 于 单 通 道 体 线 圈 ， 单 通 道 非 体 线圈 (所 谓 “表 面 线 圈 ”)和 相 阵 列 线 圈 。 该 标 准 定 义了 用 于 评 估 磁 共 振 图 像 信 噪 比 成 像 条 件 和 4种 测 量 信噪 比 的 方 法 。 下 面 介 绍 的 方 法 将 会 使 用 图 1所 示 的 定义。MNEMA标 准 中 定 义 的 4种 方 法 ， 都 需 要 经 历 以下两步：

8、第 一 步 ， 确 定 图 像 信 号 。 进 行 信 号 图 像 扫 描必 须 按 照 标 准 规 定 的 条 件 进 行 ， 但 是 允 许 像 常 规 诊断 扫 描 一 样 对 系 统 参 数 进 行 校 准 。 扫 描 获 得 图 像后 ， 平 均 测 量 兴 趣 区 (measurement region of interest, 图1 定义项的相对位置1Fig. 1 Relative position of the define item.150 http:/磁共振成像 2012年第3卷第2期 Chin J Magn Reson Imaging, 2012, Vol 3, No 2

9、临床研究 | Clinical ArticlesMROI)的像素值得到图像信号大小。确 定 图 像 信 号 大 小 在 4种 方 法 中 都 是 一 样 的 ， 不同的是如何确定噪声大小。第二步，确定噪声大小。1.1 方法一按 扫 描 信 号 图 像 图 1同 样 的 条 件 扫 描 第 二 幅 图 像图 2。 计 算 两 幅 图 像 的 差 ： 图 3=图 2图 1。 对 图 3在MROI的区域内计算标准差：(1-1)V 是 图 3的 像 素 平 均 值 。V(i, j) 是 图 3在 坐 标 (i, j)的 像 素 值 。 i表 示 在 读 方 向 的 位 置 ， j表 示 在 相 位 编

10、 码方 向 的 位 置 。 mi表 示 在 第 i行 或 列 的 在 MROI范 围 内 的点数。系 统 成 像 的 非 稳 定 性 会 使 得 第 二 幅 图 像 减 第 一幅 图 像 的 时 候 引 入 比 较 大 的 误 差 ， 为 了 确 定 系 统 是否存在非稳定性，这时就需要计算公式1-2。(1-2)如 果 系 统 成 像 时 比 较 稳 定 ， 公 式 1-1 和 公 式 1-2得 到 的 标 准 差 SD就 应 该 一 致 。 在 计 算 标 准 差 SD的 时候 用 到 了 两 幅 图 像 相 减 ， 因 此 ， 图 像 的 噪 声 需 要 由以下公式校正：(1-3)图 2为

11、使用该方法得到的噪声。1.2 方法二该 方 法 获 取 噪 声 图 像 的 扫 描 使 用 和 获 取 第 一 幅图 像 信 号 图 像 同 样 的 条 件 ， 只 是 没 有 施 加 射 频 激 发脉 冲 。 获 得 噪 声 图 像 后 ， 就 可 以 使 用 公 式 1-1来 计 算标 准 差 SD。 由 于 用 于 评 估 的 图 像 是 幅 值 图 像 ， 所 以图 像 噪 声 不 是 高 斯 分 布 (Gaussian distribution)， 而 是瑞 利 分 布 (Rayleigh distribution)， 从 而 最 后 的 图 像 噪声需要除于一个校正因子：(1-4)

12、图3为使用该方法得到的噪声。1.3 方法三方 法 三 和 方 法 一 类 似 ， 只 是 获 得 两 幅 图 像 的 方法 不 同 。 该 方 法 扫 描 时 使 用 的 Fov是 方 法 一 的 两 倍 ，即 在 读 方 向 增 加 一 倍 。 在 k空 间 中 ， 用 该 图 像 读 方 向的 奇 数 和 偶 数 列 (行 )数 据 分 别 做 标 准 的 重 建 ， 得 到 两幅 图 像 。 然 后 用 同 方 法 一 一 样 的 计 算 方 法 获 得 信 噪比 。 该 方 法 避 免 了 方 法 一 中 两 幅 图 像 之 间 间 隔 太 久系统不稳定造成的影响。图4为使用该方法得到

13、的噪声。1.4 方法四该 方 法 只 需 要 一 幅 图 像 ， 获 得 图 像 的 条 件 和 方法 一 第 一 幅 图 像 相 同 。 图 像 信 号 S的 计 算 也 是 和 之 前的 方 法 一 样 ， 至 于 噪 声 就 是 从 图 像 的 背 景 中 获 得 。标 准 建 议 图 像 的 四 个 角 为 噪 声 的 MROI， 分 别 计 算 这四 个 MROI的 标 准 差 的 平 均 就 为 SD。 和 方 法 二 同 样的原因，图像噪声由公式1-4 得到。信噪比最后为：(1-5)图5为使用该方法得到的噪声。1.5 方法五直 接 计 算 噪 声 图 像 的 标 准 差 有 时

14、并 不 是 一 种 稳( )2111112)1(2),()1,(+=niinimjmjiVjiVSDj2noise imageSD=66.0noise imageSD=图2 Noise=17.9/1.414=12.7Fig. 2 Noise=17.9/1.414=12.72A 2B图3 Noise=13.8/0.66=20.9Fig. 3 Noise=13.8/0.66=20.9.3A 3Bnoise imageSNRS=151http:/临床研究 | Clinical Articles磁共振成像 2012年第3卷第2期 Chin J Magn Reson Imaging, 2012, Vol

15、 3, No 2定 的 方 法 ， 因 为 其 中 有 平 方 的 计 算 ， 平 方 的 计 算 对于 图 像 的 伪 影 是 很 敏 感 的 ， 即 使 这 些 伪 影 是 看 不 到的 。 在 幅 值 图 像 中 ， 噪 声 遵 循 瑞 利 分 布 ， 这 样 就 可以通过计算图像的平均值来得到图像噪声。(1-6)以方法三获得的噪声图像为例，noise =25.4/1.25 =20.3。2 FDA/IEC标准IEC标 准4 (IEC62464-1)相 对 NEMA方 法 作 了细 化 和 裁 剪 ， 比 如 在 测 量 参 数 的 设 置 上 规 定 得 更 加具 体 ， 规 定 了 序

16、 列 用 自 旋 回 波 序 列 ， 扫 描 参 数 如 视野 和 矩 阵 的 大 小 、 层 厚 、 TR、 TE等 都 作 了 限 制 性的 规 定 ； 在 噪 声 测 量 方 法 的 选 择 上 ， 也 主 要 采 用 上述 NEMA标 准 中 的 方 法 一 ， 并 且 作 为 附 录 ， 推 荐 了NEMA的 方 法 二 和 方 法 四 ;但 是 在 线 圈 类 型 ， 接 收 通道等的差异性上，没有作针对性的标准区分。3 SFDA/YY标准SFDA标准(YY /T 0482)5基本参考了IEC标准。 4 西门子评价方法4.1 抛物线拟合法射 频 接 收 线 圈 接 收 信 号 存

17、在 着 非 均 匀 性 ， 一 般都 是 中 间 亮 、 周 围 暗 ， 类 似 抛 物 线 的 形 状 。 抛 物 线拟 合 法 就 是 对 MROI的 行 和 列 方 向 都 抛 物 线 拟 合 得 到抛 物 线 f， 认 为 f就 是 没 有 噪 声 干 扰 下 的 信 号 。 对 于 每一 行 和 每 一 列 在 第 i点 ， 实 际 测 量 得 到 的 值 为 Si， 抛物线拟合得到的值为 )(iSf，该行(列)的噪声 N为：(1-7)假 设 MROI每 一 行 (列 )有 n列 (行 )， 那 么 每 一 行(列)的信号 S为：(1-8)行 或 者 列 方 向 上 的 的 信 噪

18、比 ： SNR=S/N。 最 后得 到 的 MROI的 信 噪 比 为 行 信 噪 比 和 列 信 噪 比 的 平均：(1-9)4.2 局部抛物线拟合法对 现 代 的 线 圈 大 多 都 有 很 多 小 的 线 圈 单 元 组成 ， 最 后 得 到 的 合 成 信 号 强 度 也 是 一 个 个 小 抛 物 线的 组 合 ， 局 部 抛 物 线 拟 合 法 跟 随 着 线 圈 的 发 展 而 产生。局 部 抛 物 线 拟 合 法 和 抛 物 线 拟 合 法 一 样 ， 都 是对 MROI内 的 每 一 行 和 每 一 列 作 拟 合 ， 不 同 的 是 局 部抛 物 线 拟 合 法 只 对 相

19、 邻 的 三 个 点 作 拟 合 。 从 相 邻 的三 个 点 可 以 拟 合 出 抛 物 线 cbxaxxp +=2)( ， 得 到曲 率 参 数a， 而a是 和 图 像 噪 声 有 着 直 接 的 联 系 的 一个 参 数 。 假 设 联 系 的 三 个 点 他 们 的 位 置 分 别 为 1， 0， +1， 测 量 值 为 I 1， I0， I+1。 把 1， 0， +1分别代入抛物线，得到：ab+c=I 1c=I0a+b+c=I+1然后参数a就可以计算出来：假 设 图 像 噪 声 是 互 不 相 关 的 高 斯 噪 声 ， 标 准差 为 ， 概 率 分 布 为 PGauss (I,0)

20、。 那 么 a的 平 均 值 就是：图4 SNR=60.4,noise=1351.6/60.4=22.37Fig. 4 SNR=60.4,noise=1351.6/60.4=22.374A 4B图5 Noise=(14.3+14.2+13.8+13.8)/4/0.66=21.25Fig. 5 Noise=(14.3+14.2+13.8+13.8)/4/0.66=21.25525.1noise imageMean=1)(11iiiSfSnnN+= lines columnsSNRSNRnSNR21=niiSnS110112IIIa +=+152 http:/磁共振成像 2012年第3卷第2期 C

21、hin J Magn Reson Imaging, 2012, Vol 3, No 2临床研究 | Clinical Articles(1-10) 求公式左边积分就可以得到a2和 2的关系：(1-11)图 像 噪 声 为 。 信 号 和 信 噪 比 的 计 算 和 抛 物 线拟合法一样。4.3 噪声图像法噪 声 图 像 法 和 NEMA SNR标 准 中 的 方 法 二 一致，只是计算图像噪声时用的是公式1-6。5 总结与展望现 有 的 NEMA标 准 有 MS 9尽 管 对 多 通 道 线 圈 信噪 比 测 量 作 了 规 定 ， 但 也 只 是 采 用 了 单 通 道 线 圈 的评 估 方

22、 法 ， 并 没 有 针 对 多 通 道 线 圈 的 适 合 其 特 点 的规 定 。 随 着 多 通 道 线 圈 的 发 展 ， 针 对 多 通 道 线 圈 特点的NEMA标准急需完善。而 西 门 子 在 研 发 阶 段 后 期 ， 通 过 各 类 认 证 测试 ， 证 明 了 产 品 信 噪 比 满 足 了 各 类 市 场 准 入 (IEC/YY等 )的 标 准 要 求 ， 但 作 为 行 业 的 领 导 者 ， 并 没 有 止 步于 此 ； 针 对 各 类 高 级 应 用 线 圈 ， 如 表 面 线 圈 和 多 通道 线 圈 ， 西 门 子 发 展 了 各 类 复 杂 线 圈 的 信 噪

23、 比 评 价方 法 ， 并 且 集 成 到 磁 共 振 系 统 的 安 装 维 护 软 件 中 ，使 得 所 有 磁 共 振 系 统 的 线 圈 在 满 足 各 类 标 准 的 基 本要 求 之 外 ， 更 能 实 现 贴 合 线 圈 实 际 应 用 的 信 噪 比 性能 ； 并 且 为 安 装 维 修 工 程 师 和 客 户 提 供 方 便 的 质 量监 控 手 段 ， 随 时 根 据 需 要 对 线 圈 的 信 噪 比 性 能 等 进行检查和确认。参考文献 References1 NEMA Standards Publication MS 1-2008, Determination of

24、Signal-to-Noise Ratio (SNR) in Diagnostic Magnetic Resonance Imaging. Rosslyn: National Electrical Manufacturers Association, 2008.2 NEMA Standards Publication MS 6-2008, Determination of Signal-to-Noise Ratio and Image Uniformity for Single-Channel Non-Volume Coils in Diagnostic MR Imaging. Rosslyn

25、: National Electrical Manufacturers Association, 2008.3 NEMA Standards Publication MS 9-2008, Characterization of Phased Array Coils for Diagnostic Magnetic Resonance Images. Rosslyn: National Electrical Manufacturers Association, 2008.4 IEC 62464-1, Magnetic resonance equipment for medical imaging-

26、Part1: Determination of essential image quality parameters. Geneva: International Electrotechnical Commission, 2007.5 YY/T 0482-2004, Technical requirements and test methods for magnetic resonance equipment for medical diagnosis. Beijing: State Food and Drug Administration, 2004.YY/T 0482-2004, 医 疗 诊 断 用 磁 共 振 设 备 技 术 要 求 及 试验 方 法 . 北 京 ： 国 家 食 品 药 品 监 督 管 理 局 , 2004.