MR-SIM外置辅助设备对图像几何形变影响的研究

刘镖水 刁文超 郭旋 刘明治 许森奎

华南肿瘤学重点实验室中山大学肿瘤防治中心放疗科，广州 510060

对比常规X线模拟机，计算机断层摄影（computed tomography，CT）模拟机能够进行断层扫描，具有扫描时间快，图像清晰的特点［1］。CT-SIM利用内置激光和外置激光定位系统设置体表标记点，提供体表标记和解剖结构信息，确定靶区位置，便于勾画靶区［2］。CT图像所具有的电子密度信息能用于剂量计算和放疗计划设计，是放射治疗的基础。但由于CT对软组织成像具有天然缺陷，使得一些病灶与周围正常组织没有清晰明确的分界，例如脊髓、头颈部、颅内等其他软组织区域的肿瘤无法清晰确定［3］。磁共振（MR）成像可以获得高空间分辨率和高对比度的图像，具有良好的软组织成像，且没有辐射剂量的特点［4］。与CT成像技术相比，在软组织、骨关节成像和脑功能成像等领域具有无可比拟的优势［5］。随着MRI技术的发展，已经成为了肿瘤放射治疗系统中不可或缺的一部分，在治疗前后可利用功能序列进行定量定性评估［6］。CT图像和MR图像的融合勾画提高了勾画准确性，并可用于优化放疗计划等［7］。医学图像的空间几何准确性和不失真性是肿瘤放射治疗的必要条件之一［8-9］，MR的成像原理使其具有较大缺点，由于磁场的不均匀性，导致MR图像的几何形变几乎不可避免，而其图像的空间几何失真将会影响靶区位置的精确性［10］。MR-SIM在使用过程中易受外界信号的干扰，容易出现图像伪影和空间几何形变，从而影响勾画靶区的准确性和放疗计划设计。MR图像的几何形变主要由3方面构成：一是系统性的几何形变，受主磁场的均匀性和梯度磁场的线性影响，易导致空间形变，使图像失真；二是由于患者体内物质结构的差异，对于磁场敏感性和化学位移效应不一所致；三是MR图像对于射频干扰信号比较敏感［11］，比如部分外部辅助设备、高压注射器、外置激光定位系统等容易影响图像质量。上述存在的问题，部分通过改变数据采集和扫描参数进行最优化调整，只能最大化降低其影响，并不能使其完全消除。本文主要讨论第3类影响因素——外置辅助设备对图像几何形变和质量的影响。

设备与方法

1、设备

设备为Philips ingenia 3.0T MR模拟定位机，测试模体为飞利浦提供的几何形变校正模体、medtron高压注射器、LAP外置激光定位系统。

2、方法

通过改变MR-SIM扫描过程中常用设备的状态，检验不同组合情况下对MR图像几何形变的影响。扫描期间常用仪器状态：激光灯常开或关闭，高压注射器操作屏幕常开或关闭，高压注射器位于MR-SIM前方或后方。3种情况进行两两组合对比，观察不同状态下对MR图像的影响。实验中采用步进式扫描，以磁体中心为0位，测试0 mm、±60 mm、±130 mm、±200 mm 7个空间位置的几何形变，几何形变分析软件由飞利浦MR-SIM提供。临床上MR-SIM对于空间几何形变的要求：位于0 mm、±60 mm、±130 mm处，在以磁体中心为圆心，长轴425 mm（左右方向），短轴365 mm（前后方向）的椭圆区域内，几何形变要求2 mm内；位于±200 mm处，在以磁体中心为圆心，直径为190 mm的圆内，几何形变要求5 mm内（图1）。根据形变结果，勾画出5 mm、3 mm、2 mm、1 mm形变区域。

图1 临床上磁共振-SIM对于空间几何形变的要求

结 果

在外置激光系统常开或关闭、高压注射器操作屏幕常开或关闭、高压注射器位于MR前方或后方的情况下，共进行了6组对比实验。具体设置情况见表1~6。

由表1可知，外置激光系统相较于高压注射器对图像的影响较小，但在-130 mm、-200 mm，由于高压注射器影响，图像已经出现射频伪影。

由表2可知，在外置激光开启，高压注射器放置在MR-SIM前方的情况下，高压注射器操作屏幕开启，对图像的影响要高于高压注射器操作屏幕关闭。在-130 mm、-200 mm处出现射频伪影，边缘形变较大。

表3结果与表2对比，在高压注射器操作屏幕开启的情况下：一、外置激光常开进一步降低图像质量，在-200 mm处，既出现了射频伪影，且要求区域内形变从2 mm增加到3 mm；二、外置激光不开启，且高压注射器放在MR-SIM后方时，尽管仍旧在-130 mm、-200 mm处出现射频伪影，但伪影较小，图像形变相对将高压注射器放置在MR-SIM前方时要小。

表2 外置激光开，高压注射器置于磁共振-SIM前方，操作屏幕状态改变

与高压注射器操作屏幕开启对比，屏幕关闭对图像质量的影响较小。高压注射器在操作屏幕关闭的情况下，放置在MR的后方，对图像质量的影响最小，没有出现射频伪影。见表4。

表4 高压注射器操作屏幕关闭放置于磁共振-SIM不同位置

在外置激光开启，高压注射器放置在MR-SIM后方的条件下，高压注射器操作屏幕关闭对于图像的影响较小，没有出现射频伪影，但仍存在边缘形变。见表5。

与表5对比，高压注射器放置在MR-SIM的前方，在外置激光和操控屏幕开启的情况下，-130 mm、-200 mm处出现较明显的射频伪影，图像的形变也更明显，见表6。

表5 外置激光开启且高压注射器放置在磁共振-SIM的后面，操控屏幕状态不同

表6 外置激光开启且操控屏幕开启，高压注射器放置位置不同

综合6个表的对比结果：第一，外置激光对于图像几何形变具有一定的影响。通过表1、2的结果，在开启外置激光和高压注射器的2个条件下，对比单一开启高压注射器或外置激光的条件，图像质量呈明显下降，不仅出现了射频伪影，且在要求区域内，图像形变严重。第二，高压注射器的摆放位置对于图像不存在影响，从表格结果中可以看到，高压注射器放置在MR-SIM前方或者后方，图像都易出现射频伪影。第三，图像形变多发生在边缘区域，图像中间区域很少存在明显形变。如图2，图像的要求区域几何形变都满足要求，图像显示正常。图3，高压注射器操作屏幕开启，放置在MR-SIM前，且几何校正膜体置于-130 mm处，图像出现较严重的射频伪影，且图像几何形变较大，多个点不满足形变要求。图4，高压注射器操作屏幕开启，放置在MR-SIM后，图像要求区域内出现射频伪影，对比注射器放前面，伪影较小。图5，外置激光开启，几何膜体位于200 mm处，图像1 mm形变区域发生明显变化，其余区域在正常范围内。

图2 磁共振-SIM图像显示正常

图3 高压注射器开启置于磁共振-SIM前方（几何校正模体位于-130 mm）

图4 高压注射器开启置于磁共振-SIM后方（几何校正模体位于-130 mm）

图5 磁共振-SIM外置激光开启（几何校正模体位于200 mm处）

表1 外置激光打开与高压注射器放置在磁共振-SIM前面（屏幕熄）

讨 论

通过对MR-SIM外部辅助设备开启或关闭状态对于图像质量影响的实验，可以确定：⑴高压注射器的状态对图像几何形变的影响较大，在边缘区域较明显，当几何校正模体在-130 mm、-200 mm处，容易出现射频伪影，在0 mm、±60 mm处，图像质量较为稳定，出现的几何形变多在可接受范围内；⑵在不同情况下，磁体中心区域的几何形变都较小，不会有较明显变化；但由于在不同位置，磁场受到磁共振外部辅助设备的影响程度不一致，因此图像形变程度也不一致；⑶在临床扫描中，应该保持外置激光关闭，且高压注射器的操作界面应处于关闭状态，例如，可采用在MR扫描操作间加装一个控制外置激光的开关，在每次扫描前将外置激光关闭后再进行扫描；同时根据不同的扫描需求，选择开关高压注射器；⑷应在临床使用标准操作流程中，定好关闭外置激光和高压注射器操作界面的顺序，降低其对MR图像的影响。

MR成像系统由于其成像原理所致，容易出现各种伪影，例如卷褶伪影、运动伪影、截断伪影、射频伪影等［10］。射频伪影是由于射频信号干扰，使图像中生成一条或多条明亮条带，或者出现网格样伪影。出现这类情况的伪影常意味着系统出现故障或者来自外部射频干扰［11］。在肿瘤放射治疗中，由于需要对肿瘤患者进行模拟定位，且需要注射对比剂增强影像的情况，因此使用高压注射器和外置激光辅助扫描成像。在使用外部辅助设备的过程中，是否由于外部辅助设备的材质问题，引起外部射频信号的干扰导致图像质量下降的现象，本次试验并未对此问题进行讨论。另外，本次实验对于高压注射器的放置位置没有具体规定，高压注射器放置于MR-SIM的前后距离没有做详细讨论，因此结果中高压注射器放置在MR-SIM的前后位置的对比结果不明显，还有待进一步实验。

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