磁共振信噪比（SNR）与图像质量
引言
信噪比（SNR）是评估磁共振成像（MRI）系统效能的核心指标。MRI图像并非由纯信号构成，而是信号与不可避免的背景噪声的混合体：
MRI图像 = 信号 + 噪声
图像中的噪声源于信号强度的随机波动，常表现为颗粒状或不均匀图案，无法为图像构建提供有效信息。
MRI噪声主要来源于两方面：
-
分子运动——人体内带电粒子产生电磁噪声
-
电阻——接收线圈、数据线缆及测量系统电子元件的电阻效应
图像噪声水平受以下因素影响：
-
线圈配置：单元数量、类型与尺寸（如8通道体线圈、4通道柔性线圈）
-
带宽：不同脉冲序列的带宽存在差异
影响信噪比（SNR）的因素
在磁共振成像（MRI）中，信噪比（SNR）主要用于图像质量评估和对比度增强测量，同时还应用于质量控制、脉冲序列比较及射频线圈性能评估等任务。
测量信噪比可采用多种方法，最常用的是通过单幅图像中两个不同区域的信号测量结合公式计算。多数MRI系统的图像处理模块都提供感兴趣区域（ROI）测量功能：首先在信号最均匀且强度最高的组织区域放置第一个ROI并记录信号强度值；随后在图像背景噪声区域（避开组织）放置尽可能大的第二个ROI以采集最大噪声，同样记录该区域信号强度值。图像信噪比计算公式为：SNR = 信号强度/噪声强度。
以T1加权脑部轴位图像为例，具体操作是测量白质信号强度与图像背景噪声的标准偏差值，将白质信号强度值除以背景标准偏差值即可得到该图像的信噪比值。
低发射带宽模式的临床应用（低SAR模式）
扫描新生儿和镇静患者时，由于他们无法向操作者提供反馈，选择低发射带宽模式是最合适的方案。扫描孕妇时必须选择低SAR模式，以避免对胎儿造成潜在的射频伤害。此外，低发射带宽射频脉冲也适用于扫描带有MRI条件性植入物的患者，如MRI条件性心脏起搏器和心脏瓣膜。
场强与SNR的关系
场强与信噪比（SNR）呈正相关关系。提高场强会使更多质子沿主磁场方向排列，从而增加纵向磁化量。这种排列方式能提升整体信号强度，进而提高信噪比。与低场强系统相比，采用高场强的磁共振成像系统可获得更高信噪比的图像。
除提升图像信噪比外，高场强MRI系统还能在更短时间内生成高空间分辨率图像。这一优势对于高分辨率成像，或对幽闭恐惧症患者及移动患者进行快速扫描尤为重要。例如，在矩阵尺寸为320×320、激励次数（NEX）设为2的T2 TSE序列中，1.5T设备需约5分钟才能获得100%信噪比的图像；而在3T系统中，仅需将NEX设为1，约2.5分钟即可达到同等信噪比水平。
射频线圈与SNR
大多数MRI系统都配备多种射频发射和接收线圈。选择合适的射频线圈对获得最佳信噪比至关重要。为达到最大信噪比，射频线圈应尽可能贴近被扫描部位。这正是多数MRI系统针对不同身体部位配备专用线圈的主要原因。信噪比还取决于射频线圈内发射与接收单元的数量——单元数量越多信噪比越好，例如32通道（接收单元）体线圈的信噪比就优于4通道体线圈。
操作人员在扫描高BMI患者时，常会观察到信噪比显著下降。这是因为被扫描部位中心距离接收线圈过远。扫描高BMI患者时，操作人员必须调整扫描参数以提升信噪比。
组织特性与SNR
信噪比（SNR）还取决于被成像组织的磁特性。质子数量较多的组织会产生更好的信号强度和更高的信噪比。例如，如果使用相同的扫描协议对婴儿和成人进行扫描，婴儿的扫描图像会显示出更高的信噪比。
MRI操作人员可能已经注意到，在序列中添加脂肪饱和常常会导致图像出现颗粒状、信噪比低的情况。在这种情况下，消除来自脂肪质子的信号会降低成像解剖结构的整体信号强度。任何信号强度的降低都会随之降低整体信噪比。
重复时间（TR）与SNR
增加重复时间（TR）会提高信噪比（SNR），因为更长的TR能让纵向磁化更接近其最大值并产生更高信号强度。然而，当TR超过特定限度时，会削弱T1加权效应。例如，在TR为500毫秒、SNR为100%的T1序列中，将TR提升至1000毫秒虽会放大SNR，却会导致T1效应减弱，最终生成组织对比度显著降低的图像。在T1加权成像中，TR值的审慎选择至关重要，因为它同时影响着信噪比和组织对比度的表现质量。
回波时间（TE）与SNR
增加TE会降低信噪比（SNR）。较长的TE会导致横向磁化衰减至极低值，从而造成信号丢失。将TE缩短至某一限度以下则会减弱T2效应。例如，在TR为5000毫秒、TE为110毫秒、SNR为100%的T2序列中，将TE降至50毫秒虽能提高信噪比，但会削弱T2效应，可能导致组织对比度极差的成像效果。通过缩短TE来提升信噪比的操作应仅限于T1加权序列。
翻转角与SNR
高发射器带宽可有效用于减少幽闭恐惧症患者和移动患者的扫描时间。此选项将显著降低最小TR和TE值，允许用户手动减少TR和TE值，从而缩短扫描时间。这种方法的主要缺点是缩短TE和TR通常会导致更多噪声，并增加外周刺激的可能性。下图展示了如何选择这些选项并显示操作结果。
层厚与SNR
增加切片厚度可以提高信噪比（SNR）。这是因为更大的切片厚度会导致体素尺寸增大，从而使单个体素接收到的信号更多。然而，增加切片厚度也会降低空间分辨率并增加部分容积效应。例如，假设一个T1序列的切片厚度为2毫米，相对信噪比为40%。如果将切片厚度增加到6毫米，信噪比将提高到90%。
层间隔与SNR
层间距是指两个相邻切片之间的距离，通常以切片厚度的百分比计算。设置层间距是为了避免由于射频脉冲的不完美性导致切片重叠。即便选择矩形切片轮廓，也无法产生完美的矩形信号。如果取消层间距，两个相邻切片的边缘将会重叠。这会导致一个切片的射频脉冲激发相邻切片的一小部分，这种现象称为串扰。串扰效应会在切片重叠区域产生饱和效应，从而导致信噪比（SNR）显著降低。
例如，若将切片厚度为4毫米、层间距为50%（2毫米）的T2单次激发快速自旋回波（HASTE）序列的层间距降至0%，则会导致切片重叠并生成低信噪比的图像。这也是HASTE序列连续采集切片时，第一幅图像信噪比较高而后续图像信噪比较低的主要原因之一。为了缓解这一问题，可以增大层间距或选择交错扫描选项（即先扫描奇数切片再扫描偶数切片）。需要注意的是，层间距超过一定限度（通常高于50%）可能会导致配准误差。
矩阵与SNR
增大矩阵尺寸会降低信噪比（SNR）。增大矩阵尺寸会减小体素大小，从而减少单个像素接收到的信号量。较小的像素接收到的信号较少，导致生成的信噪比图像较低。例如，假设有一个T1 TSE序列，视野（FOV）为100，层厚为4mm，矩阵尺寸为256×256，相对信噪比为100%。如果将矩阵尺寸从256×256增加到320×320，信噪比将降至74%。另一方面，减小矩阵尺寸会降低空间分辨率，导致图像模糊。为了获得最佳质量的图像，必须根据特定的视野选择合适的矩阵尺寸。
视野（FOV）与SNR
增大视野（FOV）会导致信噪比（SNR）提高。这是因为扩大FOV会使像素尺寸增大，从而增强单个像素捕获的信号量。更大的像素可以收集更多信号，进而生成具有更高SNR的图像。但需注意，增大FOV会同时降低图像的空间分辨率，导致图像显得模糊。
为获得最佳空间分辨率，用户在增大FOV时应同步增加矩阵尺寸。例如：当FOV为100mm、矩阵为192×192的T1快速自旋回波（TSE）序列（相对SNR为100%）的FOV从100mm扩大到210mm时，SNR将随之提升至170%。虽然这种调整能提高SNR，但也会导致图像空间分辨率下降。
为抵消空间分辨率的降低，一个有效方法是进一步将矩阵尺寸增至256×256。这种矩阵尺寸的增大不仅能提升空间分辨率，还能将SNR维持在120%的理想水平。
接收带宽与SNR
增大接收带宽会降低信噪比（SNR）。接收带宽指的是射频脉冲接收阶段（频率编码）所采集的频率或波长范围。增大带宽可缩短扫描时间、减少磁敏感伪影和化学位移伪影。若将带宽减半，信噪比可提升30%。本例中，某T1序列原带宽为260，扫描时间2分钟，相对信噪比为100%；当带宽从260降至130时，相对信噪比升至130%，但扫描时间延长至3分钟。需注意，过度减小带宽会导致磁敏感伪影和化学位移伪影加剧。
激励次数（NEX）与SNR
激励次数（平均值）是一个测量参数，用于表示数据被重复采集以形成同一图像的次数。增加激励次数（平均值）将使信噪比（SNR）提高√2倍。将NEX加倍会导致SNR增加140%，但扫描时间也会翻倍。例如，考虑一个扫描时间为2分钟的T1 TSE序列，NEX设置为1，SNR为40%。如果将NEX从1增加到4，SNR将提高到100%，但扫描时间将延长至8分钟。
相位过采样与SNR
相位过采样是一种用于消除相位卷绕或环绕伪影的技术。相位过采样通过增加相位编码方向的采样频率来实现。增加相位过采样会扩大视野（FOV）并增加相位方向的相位编码步数。此外，增加相位过采样还会提高信噪比（SNR），但会导致采集时间延长。如果将FOV为150、相对SNR为100%的T1 TSE序列的相位过采样改为100%，SNR将增加到120%。
部分K空间填充与SNR
部分k空间填充技术可在不改变其他扫描参数的情况下显著节省扫描时间。主要的两种部分k空间采集技术是部分傅里叶成像和部分回波成像。这两种技术都用于快速成像，以产生分辨率相似的图像，尽管信噪比（SNR）会有所降低。
在部分傅里叶成像中，仅采集相位编码方向上k空间线的一半或略多于一半来生成完整图像。虽然这减少了扫描时间，但会导致图像的信噪比较低。
在部分回波成像中，仅采样频率编码方向上的一部分回波来生成完整图像。这种方法同样减少了扫描时间，但得到的图像信噪比会降低。
并行成像技术与SNR
使用并行成像技术会降低重建图像的信噪比（SNR）。重建图像中的噪声是由于数据采样减少和并行重建算法引起的噪声放大所致。提高并行成像的加速因子会降低信噪比。举一个最后的例子，如果使用并行成像加速因子为2的T1 TSE序列，将加速因子提高到4，原始信噪比将降低40%。