【MRI認定 12】SNR測定について

SNR測定は毎年１問程度は出題されています。

数年前は測定の条件（ファントムや撮像条件）についての出題が多くありましたが、最近は測定方法について出題される傾向があるように感じます。

測定法はNEMAやICEなどがありますが、認定機構による性能評価試験の審査はNEMAであり、出題もNEMAに関するものなのでNEMAについて記述します。

撮像条件

ファントム

頭部と体幹部の2種類の大きさのファントムを使用すること
※ファントムに関しては『均一性試験』と同じです。

頭部：最小寸法は撮像面内で直径10cmの円または保証範囲の85%のうち大きい方を満たすもの
体幹部：最小寸法は撮像面内で直径20cmの円または補償範囲の85%のうち大きい方を満たすもの

T1値＜1200ms、T2値＞50ms 　（均一性試験も同じ）

撮像条件

均一性試験と大体同じですが、違うところは青ライン引いてます。

シーケンス

シーケンス：SE法　（均一性試験も同じ）
TR：T1値 × 3 以上　（均一性試験では×5なので注意！無理やりですが“SNR”3文字→×3、”均一性試験”→5文字→×5と覚えました。）
TE：一般的に臨床に使用される範囲　（均一性試験も同じ）
スライス厚：10mm 以下　（均一性試験も同じ）
スライス：Axial、シングルスライス　（均一性試験はAx,Sag,Cor３断面）
matrix：256×256　（均一性試験は128以上）
FOV：面内においてRFコイルの最大径の110%を超えないこと　（均一性試験も同じ）

測定条件

室温とファントム温度：22±4℃　（均一性試験も同じ）
ファントムはアイソセンターに置かれたRF受信コイルの中心に配置する　（均一性試験も同じ）
ROI：画像断面の75%は少なくとも囲むこと　（均一性試験も同じ）
表面コイルは使用不可　（均一性試験も同じ）
Parallel imagingは使用不可　（均一性試験も同じ）
5分以内に同一条件で2回撮像する（→２回撮像による差分法）

測定方法

測定方法はいくつかあり、出題もされているので確認しておきましょう。

特にここ数年ではファントムなどの撮像条件よりもこちらの出題が多く感じます。

①測定領域から求める方法

ファントム内にROIを設定し、その標準偏差を雑音として定義し測定します。

ファントムとバックグラウンドの境界でトランケーションアーチファクトが発生し標準偏差の誤差を生みます。また、ファントム内の信号ムラは標準偏差を過大評価するため、これらアーチファクトやムラを含まない領域にROIを設定する必要があります。

信号値はROI内の平均値で求めます。

②バックグラウンドから求める方法　（空中雑音法・空中信号法）

バックグラウンド信号(背景信号)は信号ムラやトランケーションアーチファクトは無いため安定した雑音測定ができます。

ただしファントム内の対流によるフローアーチファクトが生じる可能性があるため、これに重ならないようROIを設定します。

バックグラウンド信号は平均値が０であるため、本来は雑音による負の信号を持ちます。しかしMRI画像は絶対値演算による画像のためバックグラウンドの負の信号は正へと折返ります。

これにより信号分布が正規分布ではなくレイリー分布となり、これから雑音値が導かれます。（空中雑音法）

レイリー分布の標準偏差と平均値には一定の関係があるので、バックグラウンドROIの平均値からも雑音を評価できます。（空中信号法）

信号値はROI内の平均値で求めます。

③雑音画像を取得する方法

普通の画像（励起あり）と励起RFパルスを印加しない画像（励起なし）の二つを撮像します。

各画像の同じ位置にROIを設定します。

励起パルスを印加しない画像はいわゆるバックグラウンド画像と同様と考えられるので、その雑音は標準偏差を0.655で除して求めます。

信号値は励起あり画像のROIから平均値で算出します。

④連続撮像による方法

同一条件で繰り返し撮像した時、信号分布は正規分布に近づいていきます。

この方法はROIではなく各ピクセルを用いてSNRを算出します。

繰り返し撮像することで雑音値マップ、SNRマップが得られます。

同一位置の各ピクセルの標準偏差SD_pixel、信号値は同一位置の平均値から算出します。

⑤２回撮像による差分法　（認定試験の性能評価で使われているやつ、過去問では「差分法」と言われてるやつ）

２回連続して撮像し、差分画像を作成します。

差分画像のファントム領域内にROIを設定し雑音を求めます。

√2は差分処理による雑音の過大評価を補正しています。

信号値は差分前の撮像した２つの画像の各平均値を算出し、その平均とします。

差分法では信号ムラやトランケーションアーチファクトの影響を排除できます。

⑥ピクセルシフトによる差分法

１枚の画像を用いて差分法を行います。

周波数エンコード方向、位相エンコード方向、斜め方向の各３方向に１ピクセルずつズラした画像をそれぞれ作ります。

それぞれ元画像と差分させて差分画像を作成します。

各差分画像の同一位置にROIをとり、標準偏差/√2を測定します。

標準偏差σを算出するために、
σ²を本来の雑音成分（分散）、σ_f²を周波数エンコード方向についてσ²に追加される雑音成分σ_p²を位相エンコード方向についてσ²に追加される雑音成分とすると各標準偏差は以下で表されます。

信号値は元画像に同一位置のROIを設定し平均値より算出します。

⑦読み取り方向のデータ分割による差分法

「⑤２回撮像による差分法」を１回撮像で行うような方法となります。

位相エンコード方向に対して周波数エンコード方向のFOVを２倍とし、周波数エンコード方向のマトリクスを２倍とすることでサンプリング数を２倍にします。（長方形FOV）

得られたデータを偶数データと奇数データに分割し２枚の画像を再構成します。

これらを差分処理して「⑤２回撮像による差分法」と同様に算出します。

利点として、２画像のデータ取得のズレが１サンプリング分しかないため、動きのある腹部などで良好な差分画像が得られます。

しかし特別なrawデータ処理が必要なため臨床機で使用ができません。

Parallel imaging について

パラレルイメージングを用いた画像は測定位置により雑音が不均一となります。ジオメトリーファクターという位置依存性の要因が加わるためです。

そのためNEMAやIECにおいても測定対象外とされています。

一応、パラレルイメージングでもある程度使用できる測定方法として以下があげられます。
④連続撮像による方法
⑤２回撮像による差分法
⑦読み取り方向にデータ分割した差分法

しかし上記のものは臨床画像には不向きであり、臨床で使用するならば、信号不均一で雑音を過大・過小評価する可能性はあるが以下が考えられます。
①測定領域から求める方法
⑥ピクセルシフトによる差分法

また、日本放射線技術学会では「5定点差分法」という方法を提唱しています。

表面コイルについて

表面コイルはコイル付近で高信号となるため局所の撮像に使用されますが、信号が不均一のため均一補正フィルタが用いられることがあります。

この場合、信号は均一となりますが雑音分布がランダムとなり不均一になります。逆にフィルタを使用しなければ信号分布が不均一のままです。

そのためフィルタ処理の有無それぞれに対して、SNRと画像均一性の評価を同時に行うことが薦められています。

SNRの測定では、コイルから離れすぎたところでROIを取ると信号が低すぎて雑音が正規分布でなくなるため、少なくとも信号値が雑音レベルの５倍以上あるところで測定します。

また信号不均一の影響を少なくするために50ピクセル程度の小さなROIを用いります。

　

アレイコイルを用いた場合、バックグラウンド信号から雑音を求める時にはエレメント数に応じた係数で補正します。

またNEMAでは個々のコイルをそれぞれ表面コイルとして評価し、合成されたアレイコイルの評価も同様に行うことが薦められています。

まとめ

測定に関してあまり詳しくないのでおざなりにしていた分野でしたが、今回は割と過去問も見ながら大事なところを書いたつもりです。

以下まとめたものですがめちゃくちゃ見づらくてごめんなさい。

過去問

18-問題22　MRI 画像の SNR 測定について正しいのはどれか。2 つ選べ。

1. 差分法による差分処理はノイズを過少評価する。
2. 強度画像におけるバックグラウンド領域のノイズは正規分布を示す。
3. 差分法は信号ムラやトランケーションアーチファクトの影響を排除できる。
4. バックグラウンド領域からノイズを求めるときはノイズを補正係数√𝜋の値で除する。 
5. ピクセルシフトによる差分法は 3 方向(読み取り方向、位相方向、斜め方向)に 1 ピクセルシフトさせた画像を作成する。

解答

1.×過大評価するため√２を用いる
2.×レイリー分布
3.○
4.×√((4-π)/2)
5.○

17-問題 23　MRI 画像(強度画像)の SNR の測定について正しいものはどれか。2 つ選べ。

1. バックグラウンド領域でのノイズはレイリー分布を示す。
2. ピクセルシフトによる差分法では 1 枚の画像からノイズを評価できる。
3. 差分法を用いる場合は差分処理で負の値を 0 にするような閾値設定をする。
4. 差分法でノイズを測定する場合は差分画像の ROI の標準偏差に √2 の値を乗する。
5. バックグラウンド領域からノイズを求めるときは、ノイズを補正係数 1.253 の値で除する必要がある。

解答

1.○
2.○
3.×0にせず負の値を保つ設定とする
4.×Noise=SD_sub/√2
5.×Noise=SD_BG/0.655　ROIの平均値から求める場合はNoise=Mean_BG/1.253
ちなみに標準偏差から求めるのか、平均値から求めるのかの指定がないので答えられないと思います

16-23)SNR の測定について正しいのはどれか。3 つ選べ。
(不適切問題)

1. バックグラウンド領域のノイズは正規分布を示す
2. 表面コイルを用いる場合は SNR と画像均一性の評価を同時に行う
3. 比較的信号が均一でアーチファクトを含まない領域に ROI を設定する
4. 差分法を用いる場合は差分処理で負の値を 0 にするような閾値設定をする
5. バックグラウンド領域からノイズを求めるときは、ノイズを補正係数 0.655 で除す必要がある

1.×レイリー分布
2.○SNRと画像均一性の評価を同時に行うことが薦められている
3.○
4.×0にせず負の値を保つ設定とする
5.×Noise=SD_BG/0.655　ROIの平均値から求める場合はNoise=Mean_BG/1.253
標準偏差から求めるのか、平均値から求めるのかの指定がないため

第15回-23

第15回-23
画像評価に関する正しい記述はどれか。2つ選べ。

1. Parallel imagingでSNR測定をするには空中雑音法を用いる。
2. 表面コイルを用いる場合，SNRと均一性の評価を同時に行う。
3. 差分法を用いたSNR測定は装置付属の差分機能を使用する。
4. CNR(contrast-to-noise ratio)が高くなると信号検出能は低下する。
5. 空間分解能の評価は等間隔に並んだピンパターンから視覚評価を行う。

1.×測定位置により雑音が不均一となり基本的に測定対象外とされるが日本放射線学会では５定点差分法が提唱されている
2.○表面コイルはSNRに位置依存性があるため同時に均一性の評価を行う必要がある
3.×使用しても良いが必ずしも装置付属の差分機能を使用する必要はない　○としても良さそうな気もしますが消去法で×
4.×
5.○詳細評価にはMTFを評価することとなるが、簡便法としてピンの視覚評価がある

第14回-15

第14回-15
NEMAにおけるSNR測定に関する正しい記述はどれか。2つ選べ。

1. 部屋とファントムの温度は 22±4°Cにする。
2. 信号発生物質の T2 値は 50ms 以下である。
3. 信号発生物質の T1 値は 1200ms 以上である。
4. TE は信号発生物の T2 値の 1/2 以上にする。
5. TR は信号発生物の T1 値の 3 倍以上にする。

1.○
2.×T2値＞50ms
3.×T1値＜1200ms
4.×一般的に臨床に使用される範囲
5.○

第13回-6

第13回-6
パラレルイメージングのSNR測定に関する正しい記述はどれか。(正解2つ)

1. 位置依存性がある。
2. ジオメトリーファクターに依存する。
3. 臨床画像では空中雑音法を用いる。
4. 臨床画像では空中信号法を用いる。
5. 必ず感度補正を行った画像を用いる。

1.○
2.○パラレルイメージングにおいて各ボクセルの折り返しを元に戻す正確さを表し、コイルの配置やボクセルごとに異なる値をとり位置依存性がある
3.×日本放射線学会では５定点差分法が提唱されている
4.×
5.×

第13回-5

第13回-5
NEMA における SNR 測定に関する正しい記述はどれか。(正解2つ)

1. 測定法は差分法である。
2. 算出式は SNR=S /(√2 × SD)である。
3. Fast SE 法は撮像シーケンスとして使用できない。
4. 体幹部はボディーコイルで，頭部はヘッドアレイコイルを使用する。
5. ファントムは T1 値が 1200ms 以上で T2 値が 50ms 以下のものを使用する。

1.○
2.×SNR=(S×√2)/ SD
3.○SEを使用する
4.×ガントリー内蔵のbodyコイルは使って良い、シングルチャンネルでないもの(アレイコイル)は不可
5.×T1値＜1200ms、T2値＞50ms

第12回-7

第12回-7
第8回-24と同問

第11回-44

第11回-44
MRI の画像評価に関して正しい文章を選択して下さい。(正解 3 つ)

1.基本的に SNR と CNR は相関する。
2.CNR はファントム温度に依存する。
3.CNR は空間分解能の評価が可能である。
4.差分法の SNR は信号強度×√2/ 標準偏差である。
5.パラレルイメージングで SNR を測定する時は、空中信号法を使用する。

1.○
2.○
3.×不可能
4.○
5.×日本放射線学会では５定点差分法が提唱されている

第10回-34

第10回-34
性能や精度に関連する事項について、正しい文章を選択してください。(正解2つ)

1.受信バンド幅が狭いほど SNR は大きくなる。
2.画像の均一性には、傾斜磁場の直線性が大きく影響する。
3.画像の幾何学的なひずみと静磁場の不均一性は大きく関係する。
4.不変性試験は、不具合が起きた場合に問題箇所を特定するために行う。
5.スライス厚の評価には、信号が発生しない材料の大きさが異なるピンやプレートをいくつか並べたファントムを使用するのが一般的である。

1.○
2.×RFや正磁場不均一などが影響する、傾斜磁場の直線性が影響するのは画像歪み(空間直線性)
3.○
4.×機器の性能が設定基準を満足することを確認するため、機器の構成要素の性能変化を早期に発見するために行う
5.×スライス厚にはくさび板などを用いる、ピンを用いるのは歪み試験

第8回-24

第8回-24
MRI の画像評価に関して正しい文章を選択してください。(正解 3 つ)

1.基本的に SNR と CNR は相関する。
2.CNR はファントム温度に依存する。
3.CNR は空間分解能の評価が可能である。
4.差分法の SNR は信号強度×√2/ 標準偏差である。
5.パラレルイメージングで SNR を測定する時は、空中雑音法でなく、空中信号法を使用する。

1.○
2.○
3.×不可能
4.○
5.×日本放射線学会では５定点差分法が提唱されている

第6回-37

第6回-37
性能評価について、正しい文章を選択してください。(正解2つ)

1. 差分法の SNR 算出式は、SNR=(S / √2) / N である。
2. NEMA では、ファントム温度を、25°±4°に規制している。
3.撮像 TR は、ファントムの T1値/4より小さくする必要がある。
4.画像均一性の測定は、完全に均一な場合、NEMA では全均一性は0になる。
5.Parallel MRI での SNR 測定では、空中で雑音を測定するのは望ましくない。

a.× SNR=(S×√2)/ SD
b.×室温とファントムは22±4℃
c.× SNRとスライス厚はTR≧3×T1、均一性はTR≧5×T1
d.○
e.○日本放射線学会では５定点差分法が提唱されている

第5回-37

第5回-37
NEMA 基準における SNR 測定法について、正しい文章を解答して下さい。

a. 室温およびファントムの温度は 24°±4°C とする。
b. TR≦5x信号発生領域の充填剤の T1 とする。
c. アイソセンターを中心とする単一の横断面を使用する。
d. スライス厚≦5mm とする。
e. 2回スキャンの内、第1スキャンの終了から第2スキャンの開始までの時間は5分以上とする。

a.×22±4°C
b.×TR：T1値 × 3 以上
c.○まずアイソセンターにRF受信コイルを設置、ファントムをその中心に配置します。そしてシングルスライスでAxialを撮影します。
d.×10mm以下
e.×5分以内に同一条件で2回撮影します。