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【摘要】 在医用诊断磁共振成像（MRI）设备影像质量控制中，研究磁共振信号随质量控制性能检测体模中成像液硫酸铜溶液浓度的变化关系，并确定MRI影像质量控制中硫酸铜溶液浓度的最佳取值范围。结果显示磁共振信号值和信噪比与硫酸铜成像液浓度的关系并不呈线性或指数变化关系，而是浓度在5 mmol/L以下时磁共振信号值很低，在5~15 mmol/L浓度时信噪比和磁共振信号较大，15 mmol/L以上浓度时磁共振信号又呈下降趋势。可见，在磁共振成像设备质量控制中选择5~15 mmol/L的成像液浓度为宜。利用该种体模，可以同时测量信噪比、影像均匀度、影像几何畸变率、低对比空间分辨率、纵横比等，能够满足磁共振成像设备质量控制的一般要求。
【关键词】 磁共振；质量控制；硫酸铜；浓度；信噪比；体模
Study on change relationship for signal value of diagnostic magnetic resonance with imaging solution concentration of CuSO4
GE Li-juan，LIN Zhi-kai，DENG Jun，et al.National Institute for Radiological Protection，Chinese Center for Disease Control and Prevention,Beijing 100088，China
［Abstract］ To study the change relationship for signal value of diagnostic magnetic resonance with the concentration of copper sulfate （CuSO4） imaging solution filled in performance test phantom in the imaging quality control for diagnostic resonance imaging （MRI）equipment.And to determine the range of optimum concentration for CuSO4 imaging solution.The study results show that the change relationship for signal value or signal-noise ratio （SNR）of diagnostic magnetic resonance （MR）is not linear or exponent increase with the concentration of CuSO4 imaging solution.Whereas the MR signal values are very low when the concentration of CuSO4 imaging solution is under 5 mmol/L，the MR signal values and SNR are higher when the concentration of CuSO4 imaging solution is in the range of 5~15 mmol/L，and the MR signal values show the downward tendency when the concentration of CuSO4 imaging solution is above 15 mmol/L.It will be seen from this that to choose 5~15 mmol/L as the imaging solution is suitable during the quality control for MRI equipment.This kind of performance test phantom can be used for measuring signal-noise ratio （SNR），image uniformity，geometric distortion in image，low-contrast spatial resolution and aspect ratio at the same time.The Phantom can meet the general requirement of quality control for MRI equipment.
［Key words］ magnetic resonance；quality control；copper sulfate （CuSO4）；concentration；signal-noise rate；phantom
磁共振成像设备在运输、安装调试、使用过程以及维修之后，与成像质量密切相关的性能参数会发生变化，最终影响影像质量而导致漏诊、误诊事件的发生。因此，开展对磁共振成像设备的质量控制是
保证影像诊断质量的一个重要措施。在磁共振成像设备质量控制检验过程中，普遍使用磁共振性能检测体模，而体模中的成像液通常使用硫酸铜（CuSO4）溶液，其浓度推荐值为1~25 mmol/L［1］。在磁共振成像设备质量控制中，最重要的检测参数之一是信噪比，信噪比与磁共振信号值密切相关，而磁共振信号值的强弱与成像液硫酸铜溶液浓度的关系尚未见文献报道。因此，本文主要研究磁共振信号值和信噪比与硫酸铜成像液浓度的变化关系，为配制磁共振成像设备质量控制性能检测体模的硫酸铜成像液浓度提供依据。
1 材料和方法
1.1 信噪比-硫酸铜成像液浓度关系性能检测体模的研制 性能检测体模采用有机玻璃材料制作，其形状为圆柱体。圆柱体内径为18.5 cm，外径为20 cm，圆柱体内设3个扫描层，第1层内装6个小圆柱体，其内径为4 cm。中心安装1个，其余5个等距离安装在周围，小圆柱体内封装不同浓度的硫酸铜成像液用于检验MRI信号强度；第2个扫描层为溢流层，可以检测MRI设备的信噪比、影像均匀度和影像几何畸变率；第3扫描层安置一低对比度插件，定性测量影像的低对比度。性能检测体模如图1所示。
1.2 性能检测体模硫酸铜成像液浓度的配置 在信噪比-成像液浓度关系性能检测体模顶部的6个小容器中分别填充浓度为0 mmol/L（蒸馏水），1 mmol/L、5 mmol/L、15 mmol/L、20 mmol/L、25 mmol/L的硫酸铜成像液，在整个体模内填充10 mmol/L的硫酸铜成像液。
1.3 实验方法 信噪比-硫酸铜成像液浓度关系实验在0.35 T永磁体和1.5 T超导磁共振成像设备上进行，其中实验所用的4台0.35 T的永磁体磁共振成像设备为：（1）唐山市中医院，型号Oper-0.35 T，宁波鑫高益磁材有限公司；（2）内蒙古赤峰市宁城县医院，型号XGY Oper 0.35 T，宁波鑫高益磁材有限公司；（3）内蒙古阿鲁科尔沁旗旗医院，型号NSM-0.35 T，东软医疗系统有限公司；（4）内蒙古赤峰市宝山医院，型号Signa Exicise，航卫通用电气医疗系统有限公司（GE）。实验所用的3台1.5 T的超导磁体磁共振成像设备为：（1） 包头市中心医院，型号Avanto 1.5 T，德国西门子公司；（2） 内蒙古自治区医院，型号Signa Spinecho 1.5 T，美国通用电气公司（GE）；（3） 开滦（集团）有限责任公司医院，型号MR Twinspeed 1.5 T，美国通用电气公司（GE）。扫描成像参数如下。成像序列：自旋回波（SE）序列；视野：25 cm×25 cm；扫描矩阵：256 mm×256 mm；扫描层厚：5 mm和10 mm；带宽：13～20 kHz；采集次数：3次；扫描平面：冠状面或矢状面。
扫描时同时设定三层扫描层，第一层为系列浓度成像液扫描层，测量MR信号值和信噪比随成像液浓度的变化关系，第二层为溢流层，测量信噪比、影像均匀度、影像几何畸变率、纵横比；第三层为低对比度测量层，定性测定影像低对比度。扫描定位影像如图2所示。
2 结果
2.1 第一扫描层实验结果 第一扫描层成像影像示于图3中，性能检测体模中6个小圆柱体内硫酸铜成像液的浓度按图3中示出的序号排列，其浓度值列于表1中。表1 性能检测体模中不同浓度硫酸铜成像液的排列
2.1.1 信噪比计算方法 信噪比（SNR）随硫酸铜成像液浓度的变化关系测量［2］：分别选择感兴趣区（ROI）测量6个小容器不同成像液浓度影像的平均信号强度Sb，信号强度的标准差SD作为噪声,在测量影像外背景的信号作为本底，则SNR按下式计算：
SNR=S信号-S本底 SD（1）
（1）式中，SNR：信噪比； S信号：ROI内的平均信号强度值；S本底：影像外侧背景本底值；SD：ROI内的平均信号强度值的标准偏差。表2 5 mm层厚不同浓度硫酸铜成像液影像的信号值和信噪比测量结果（0.35 T 永磁体）表3 10 mm层厚不同浓度硫酸铜成像液影像的信号值和信噪比测量结果（0.35 T永磁体）表4 5 mm层厚不同浓度硫酸铜成像液影像的信号值和信噪比测量结果（1.5 T超导磁体）表5 10 mm层厚不同浓度硫酸铜成像液影像的信号值和信噪比测量结果（1.5 T超导磁体）
2.1.2 实验结果 在4台0.35 T的永磁体磁共振成像设备和3台1.5 T的超导磁体磁共振成像设备上进行实验，分别测量了5 mm层厚和10 mm层厚不同浓度硫酸铜成像液影像的信号值和信噪比，研究MR信号值和信噪比随成像液硫酸铜浓度的变化关系，其测量结果分别列于表2~5中，其变化趋势分别示于图4~7中。
2.2 第二和第三扫描层实验结果 第二扫描层为溢流层，即充满硫酸铜成像液的扫描层，第三扫描层为低对比度扫描层。第二和第三扫描层的影像分别示于图8和图9中。溢流层扫描影像用于测量磁共振影像的信噪比、影像均匀度、影像几何畸变率、纵横比。低对比度扫描影像用于定性观测影像低对比度。
3 讨论
从表2~5中的测量结果和图4~7的变化趋势可以看出，信噪比和磁共振影像的信号值并不随成像液浓度的增加而呈线性或指数变化趋势，其变化规律和趋势是：当成像液硫酸铜溶液浓度为0 mmol/L时，信噪比和磁共振影像的信号最小，随着硫酸铜浓度的增加，其最大值多数落在5～15 mmol/L范围内，在15 mmol/L以后，随着硫酸铜浓度的增加其信噪比和信号值会呈逐步下降趋势。
从这一变化趋势可以得出结论：在磁共振成像设备性能检测质量控制中，所用体模成像液硫酸铜溶液的浓度应在5～15 mmol/L范围内选取。建议硫酸铜溶液的最佳浓度为10 mmol/L，因为在本实验中，可以明显看出影像的磁共振最大信号值基本落在10 mmol/L的影像上。
为什么信噪比和磁共振影像的信号随硫酸铜溶液浓度的增加会呈现这种变化趋势呢？笔者认为其原因主要有以下几方面。
依据磁共振成像基本原理，由于质子（即氢原子核，1H）的旋磁比最大（为42.58 MHz/T），最容易在射频场作用下而获得能量受到激发，因而磁共振能力也最强。所以在医用诊断磁共振成像应用中就是利用质子的这些物理特性而进行磁共振成像的。
成像液中的质子（在医学影像临床诊断中生物体中的质子）在未进入静磁场前，因质子是无序分布的，质子因各自的自旋运动而产生的磁矩其方向各异，此时质子因自旋运动而产生的总磁场没有方向性。当将成像液放入均匀的静磁场中时，质子在静磁场的作用下，质子的自旋轴将按照静磁场的方向有序地排列，此时质子自旋产生的总磁场的方向与静磁场的方向相同。
成像液中的质子在进入静磁场后，在垂直于静磁场的方向上按一定周期施加一特定频率的射频（RF）脉冲，RF脉冲是一种波长很短的电磁波。在射频场的作用下质子吸收射频的能量而从基态跃迁到激发态，当停止发射射频脉冲时，处于激发态的质子将吸收的能量以电磁波的形式释放出来而跃迁回到基态，这种电磁波就是磁共振信号。磁共振信号经接收线圈接收后，经模拟/数字转换技术将数据输入计算机储存，并经三维傅立叶变换、空间编码技术加以运算、排列、影像重建，形成数字矩阵，再经输出数字/模拟转换，以灰阶形式显示在视频屏幕上。这就是所谓的磁共振影像。
成像液为纯蒸馏水时，虽然1个水分子（H2O）中含有2个氢原子（即质子），也会在磁共振设备上产生磁共振信号，但因其纯蒸馏水中质子群质子的数量不足以大到产生较高磁共振信号的程度，因此纯蒸馏水的磁共振信号最弱，而影像上显示的灰度最黑。由此可见，在蒸馏水中加入一定量的五水硫酸铜（CuSO4·5H2O），目的就是增加成像液中质子的数目，使质子在射频场中因获得能量被激发到较高的能级上，从而使总体磁共振信号强度达到足够大，以获得最佳磁共振影像。这是磁共振信号强度随成像液硫酸铜浓度的增加而增加的原因。当成像液硫酸铜的浓度达到一定程度，磁共振信号不仅不再随浓度的增加而增加，反而会逐渐降低。其原因在于：以特定频率发射的射频脉冲具有的能量是一定的，当成像液中质子群质子的数目达到一定的程度后，且质子数目越多，平均每个质子吸收的射频场能量就越少，而质子受激到激发态的能级就越低，从而磁共振信号的强度也会越低，这是符合能量守恒原理的。
综合上述分析和讨论，可知在磁共振成像设备成像质量控制中，性能检测体模中的成像液并非硫酸铜的浓度越高越好，而应选择在磁共振信号最高的对应浓度为佳。
【参考文献】
1 Price R,Axel L,Morgan T,et al.Quality assurance methods and phantoms for magnetic resonance imaging:Report of AAPM nuclear magnetic resonance task Group No.1.Med Phys,1990,17:287-295.
2 卫生部.医用磁共振成像（MRI）设备影像质量检测与评价规范（WS/T 263-2006），2007-04-01.
作者单位：100088 北京，中国疾病预防控制中心辐射防护与核安全医学所（△通讯作者）