Важнейший критерий качества любого изображения - отношение сиг-нал/шум (SNR), которое используется для описания влияния вклада истинного и случайных сигналов на регистрируемый сигнал ("шум фона"). SNR зависит от целого ряда параметров:

где I - интенсивность сигнала, зависящая от типа ИП; V - объем воксела; NEX- количество возбуждений выбранного слоя; BW- ширина полосы пропускания; f^ - коэффициент, зависящий от типа РЧ-катушки; - коэффициент, зависящий от силы основного поля; fgap - коэффициент, зависящий от межсрезовых эффектов; frec - алгоритм реконструкции.

Из выражения (41) видно, что на качество изображения влияет целый ряд параметров, регулируя которые можно увеличивать полезный сигнал [53]. Для улучшения местного соотношения сигнал/шум также могут использоваться поверхностные катушки.

Шумом является нежелательное второстепенное влияние или волнение, затрагивающее качество изображения. Шум обычно характеризуется стандартным отклонением интенсивности сигнала на изображении однородного фантома в отсутствие артефактов. Артефакты изображения и РЧ-шум могут вызываться присутствием и/или действием медицинских устройств вблизи МРТ. В любой электронной системе есть разные источники шума.

Пространственное разрешение - мера качества изображения, характеризующая наименьшее расстояние между двумя точками объекта, которые можно отличить как отдельные детали изображения. Разрешение зависит от толщины среза, поля сканирования (FOV) и матрицы изображения. Увеличение матрицы изображения уменьшит размер пиксела, но не всегда улучшит разрешение.

Усреднение сигнала - метод повышения соотношения сигнал/шум, которое достигается усреднением нескольких измерений сигнала FID, полученных в фиксированных условиях. Это позволяет подавить эффекты случайных изменений или случайные артефакты.

Отношение контраст/шум (CNR) - отношение разности интенсивностей сигналов между двумя областями. Повышение CNR улучшает восприятие различий между двумя исследуемыми клиническими областями:

Низкоконтрастное разрешение - это способность отображать объекты со схожим контрастом объектов. Высококонтрастное разрешение - это способность отображать маленькие объекты, имеющие высокую контрастность

и пространственное разрешение.

Ширина полосы пропускания (BW) - выбранная полоса или диапазон частот, которые могут управлять как выбором среза, так и выборкой сигнала. В МРТ короткие мощные импульсы используются для возбуждения широкого диапазона частот (широкая полоса пропускания), длинный маломощный импульс возбуждает меньший диапазон частот (узкая полоса пропускания).

Импульс с точно определенными и ограниченными полосами пропускания используется вместе с градиентами поля для выбора среза. Шум на изображении связан с частотой выборки сигнала FID или эха: чем больше выборка, тем больше шум. Уменьшение BW требует уменьшения амплитуды частотокодирующего градиента, увеличивая время включения градиента, так как градиент это функция амплитуды от времени. Недостатки, связанные с использованием более низкой частоты выборки: увеличение артефактов химического сдвига; потеря контрастности; ограниченный диапазон времен TE. Для сокращения артефактов химического сдвига можно использовать большую полосу пропускания (меньше полоса - больше химический сдвиг - больше время задержки - выше SNR). Узкие полосы пропускания приемника подчеркивают сдвиг между водой и жиром, задавая меньше частот на МР-изображении (эффект сильнее в высоких полях).

Оценка работы МР-томографа и представление практических методов тестирования производится с помощью специальных устройств для контроля качества изображения, называемых фантомами [58].

В МРТ фантомом является стандартный искусственный объект, изображение которого получают для проверки качества работы и настройки параметров МР-томографа. Чаще всего фантомы сделаны из стекла или пластика и заполнены веществами, имеющими МР-сигнал. Такими веществами являются водные парамагнитные растворы, чистые желатиновые гели, агар, гели с органическими или парамагнитными добавками и др.

МР-фантомы проектируются для исследования широкого диапазона инструментальных параметров и позволяют определять геометрические искажения изображений, пространственное разрешение, расстояние между срезами, толщину среза и его смещение, обусловленное физическими и электронными свойствами. Также фантомы помогают обнаружить низкую контрастность, оценить однородность изображения и определить отношение сигнал/шум. Каждый конкретный фантом может быть предназначен для тестирования одной или нескольких вышеперечисленных функций, что становится возможным при комбинировании соответствующих элементов фантома. Существует два основных назначения фантомов: для контроля однородности и для контроля разрешения.

Фантомы первой группы используются для контроля пространственной однородности магнитного поля и РЧ-полей и представляют собой пластиковую форму, заполненную парамагнитным раствором. Для минимизации

времени сбора данных вещество, заполняющее такой фантом и дающее опорный сигнал, должно иметь относительно короткое время Т1. При этом в используемой импульсной последовательности параметр TR выбирается примерно равным 5Т1. Как правило, каждая из приемо-передающих РЧ-катушек имеет свой фантом для контроля однородности. В идеальном случае для большинства катушек поле должно быть пространственно однородно при одинаковой чувствительности по всему отображаемому объекту. Любая неоднородность получаемого изображения может быть вызвана неоднородностью основного или РЧ-поля, нелинейностью градиентных полей или вихревыми токами и проявляется на изображениях в виде затемнения в соответствующей области.

Алгоритм оценки однородности и сигнала выглядит следующим образом. В центре изображения определяют отношение сигнал/шум. Затем, изменяя уровень контрастности и яркости изображения, определяют самый яркий и самый темный участки в пределах области исследования, для которых также записывают отношение сигнал/шум (£^х и £соответственно). Однородность рассчитывается по формуле

Определение отношения сигнал/шум I производится по Т2-взвешенному изображению фантома. Для этого определяют среднее значение сигнала от раствора в центре области исследования Бр, затем регистри-

руют среднее значения сигнала фона вне изображения фантома Бф. Стандартное отклонение этого значения отражает шум, свойственный системе:

Фантомы второй группы используются для тестирования целого ряда характеристик пространственного разрешения томографа, включая плоскостную разрешающую способность, толщину срезов, линейность и отношение сигнал/шум в зависимости от положения исследуемой области. Такие фантомы обычно делаются из пластмассы, участки внутри фантома удаляются для формирования тестового рисунка, а фантом заполняется водным раствором. МР-томографом регистрируется сигнал от воды в тех областях фантома, где удален пластик. Кроме того, некоторые фантомы имеют стандартные элементы с известными значениями Т1, Т2 и протонной плотности, что позволяет использовать их для проверки соотношений контраст/шум. Часто бывает необходимо настраивать времена спин-решеточной Т1 и спинспиновой Т2 релаксации так, чтобы можно было получать изображения в

течение приемлемых периодов времени (например, короткое время повторения TR). Для настройки времени релаксации протонов в воде обычно используются водные растворы таких парамагнитных веществ, как никель, марганец, натрий, кислород.

На рис. 36 представлен фантом для тестирования разрешающей способности, разработанный фирмой “General Electric” [31]. Он состоит из целого ряда элементов, предназначенных для контроля соответствующих характеристик. Ряды одинаковых по размеру квадратов в центре фантома используются для контроля пространственной линейности и геометрических искажений. Для обнаружения геометрических искажений часто достаточно визуального осмотра, при котором заметна деформация или растяжение такой сетки. Наличие геометрических искажений вызывается неоднородностью магнитного поля, магнитной восприимчивостью или нелинейностью градиентов. Функция вычисления расстояний на 71- изображении такого фантома позволяет проверить точность измерения внутреннего диаметра по горизонтали, по вертикали и по каждой диагонали фантома в соответствии с выражением

где Dгеом - геометрическое искажение, измеренное в процентах; Dд - действительное значение диаметра; Dизм - измеренное значение диаметра.

Рис. 36. Фантом для контроля характеристик МР-томографа

Угол между сторонами ячеек сетки должен быть 90°. Эти же расстояния можно измерить непосредственно на пленке в случае необходимости обнаружения искажений, возникающих в матричной или лазерной камере.

Для тестирования пространственного разрешения, зависящего от величины градиентов и алгоритма реконструкции, в фантомах используется сек

ция, состоящая из ряда отверстий различного диаметра (например, от 0,5 до 2 мм). Отверстия могут быть как квадратной, так и круглой формы, и располагаться в двух ортогональных направлениях, что позволяет обеспечить одновременную оценку разрешения в направлениях фазового и частотного кодирования. Этот тест должен проводиться без применения каких-либо фильтров формирования данных.

Обнаружение низкой контрастности производится с помощью элементов цилиндрической формы, заполненных растворами с различными значениями параметров Т1 и Т2. Такие элементы будут давать на изображении сигналы различной интенсивности, что, в свою очередь, позволит визуально оценить способность сканера различать низкоконтрастные объекты на изображениях.

Важным параметром в МР-томографии является толщина среза, зависящая от однородности полей, величины и линейности градиентов и используемой импульсной последовательности. Для контроля толщины среза существует два метода. Первый метод заключается в размещении в одной из секций фантома клиновидного выреза в пластике, оптимальное соотношение длин боковых граней которого примерно 1:10. На изображении сигнал будет в том месте, где пластик удален, а ширина клиновидного выреза будет увеличиваться по мере увеличения толщины среза (рис. 37). Второй метод состоит в измерении профиля среза путем непосредственного использования срезоселективных и частотных градиентов.

Плоскостная разрешающая способность чаще всего определяется с помощью группы тонких областей, поглощающих сигнал.

Рис. 37. МР-изображение фантома фирмы "General Electric”

На рис. 37 представлено МР-изображение фантома производства фирмы “General Electric”, предназначенного для контроля ряда характеристик томографа. В центре изображения расположен клиновидный элемент для контроля тощины среза. Группа параллельных линий в левом верхнем углу предназначена для контроля плоскостной разрешающей способности. Цилиндрическая форма, известный внутренний диаметр и расстояния между элементами позволяют контролировать наличие геометрических искажений.