QUASAR MRID 3D 失真模体在高场强磁共振模拟定位机失真度检测中的应用价值

巩汉顺，李金峰，曲宝林，臧 晓，梁宇鹏，王树鑫，戴相昆，徐寿平*

（1.解放军总医院第一医学中心放疗科，北京100853；2.解放军总医院第一医学中心放射科，北京100853）

0 引言

随着放疗中MR 影像引导加速器的推广使用[1-2]，MR 图像的应用贯穿整个放疗流程，包括肿瘤诊断[3-4]、放疗定位[5]、靶区勾画[6-7]、放疗计划设计[8-9]、图像引导放疗[10-11]、后续自适应放疗及最终疗效评价[12-13]。磁共振模拟定位机（magnetic resonance simulator，MR-SIM）最大孔径可达700 mm，为放疗摆位提供了足够的空间保障，可以更好地发挥MR 图像的优势。随着MR 设备主磁场（B0）强度的增加，其优势也显而易见：3.0T MR较1.5T MR 具有更高的图像质量[14]，在脑功能成像、血管成像及动态成像等方面具有独特的优势；同时高场强MR 具有更快的扫描速度，提高了患者扫描的可接受度，更加适用于需要采用热塑膜固定的放疗定位患者，但高场强也不可避免地在某种程度上增加了MR图像磁敏感及化学位移伪影[15]。对于MR 设备自身来说，随着偏离主磁场中心距离的增加，图像三维方向的几何失真程度也会越来越大[16]；当图像几何失真度达1.97 mm 时，器官结构平均体积偏差可达0.2%[17]。为了充分满足精确放疗中靶区勾画及剂量计算的要求，图像精度对大孔径高场强MR-SIM 提出了比诊断MR设备更高的要求——感兴趣区域图像三维方向的几何失真度应控制在2 mm 以内[18]。

与其他仅对少数成像平面进行采样的失真分析模体不同，大直径QUASAR MRID 3D 失真模体可在一次图像采集中分析整个三维视野内的失真度。本研究中为了对大孔径高场强MR-SIM 的图像质量进行快速评估，对QUASAR MRID 3D 失真模体进行扫描，利用配套分析软件对获取的特定扫描序列的模体图像进行定量分析，以确保肿瘤患者MR 模拟定位的精度，从而实现精确及个性化放疗。

1 资料与方法

1.1 MR-SIM

采用GE 公司的MR Discovery 750W（3.0T），其采用大孔径（700 mm）设计，最大图像重建视野（field of view，FOV）直径达500 mm，并配备放疗专用平板床、专用线圈以及可移动激光定位灯和特定优化扫描序列，且具备呼吸门控/4D 成像功能[19]。本研究通过对该设备获得的失真模体图像数据进行研究，以分析该设备所获得图像的失真度及主磁场B0失真。

1.2 检测设备

采用QUASAR MRID 3D 失真模体（Modus Medical Devices Inc，加拿大）：采用丙烯酸材质，物理尺寸为394 mm（直径）×391 mm（长），成像范围为368 mm（直径）×321 mm（长度）。模体周围为一组以18 mm 间隔均匀分布的作为基准的1 502 个精密加工的3 mm（直径）×6 mm（长度）的盲孔，盲孔内由高T1WI 对比度的石蜡矿物油填充；模体中心包含一个长方形的小型成像插件，其物理尺寸为30 mm×40 mm×50 mm（X、Y、Z），主要用于定位及软件中MR 图像在X、Y、Z方向的快速确认。

1.3 检测方法

1.3.1 模体准备

由于在运输及贮存期间可能会发生少量气泡附着于模体内壁的情况，为保证测量结果的准确性，应在扫描前确保模体内无气泡。

1.3.2 模体摆位

首先将QUASAR MRID 3D 失真模体放置在MR扫描床上，使模体的中心十字线对准定位激光灯，保证模体无滚动、俯仰或偏转（如图1 所示）；然后确定基准位置，进床将模体移至磁体中心位置，在模体定位后及后续扫描过程中需关闭激光灯，以减小由此带来的噪声影响；最后利用集成射频体线圈获取模体图像。

图1 QUASAR MRID 3D 失真模体扫描定位图

1.4 扫描条件

1.4.1 平面定位像

在进行完整的3D 各向同性扫描之前，采用三平面定位像扫描确认模体位置，以保证磁体和模体的等中心点在前后（AP）方向的误差在10 mm 以内，从而使模体在AP 方向上位于MR系统成像范围内。

1.4.2 扫描参数设置

采用快速梯度回波（gradient recalled echo，GRE）序列，使用3D T1WI 轴向扫描；厚度及层间距均为1.5 mm；开启3D 几何失真校正；视野（field of view）为410 mm×410 mm；单个层面/拼接选择沿Z方向（切片方向）366 mm；回波时间（echo time，TE）及重复时间（repetition time，TR）均设置为最小值；翻转角为18°；带宽为35.71 kHz；采样百分比为100，相位视野百分比为100；减少或关闭与数据插值或欠采样相关的选项；不施加脂肪饱和脉冲或反转恢复脉冲。

1.4.3 采用高级扫描程序进行图像扫描

对于GE MR 系统，高级扫描程序步骤如下：保持扫描参数不变，仅在读取梯度极性（频率编码、脂肪化学位移、脂肪位移方向）相反的情况下进行第二次扫描。更改GE MR 系统上的频率编码梯度，步骤如下：首先从“临床模式”切换到“研究模式”以便显示控制变量；然后在“CV Name”中输入“swap_fat_cs”，点击回车键；再将“当前值”由“0”修改为“1”，点击回车确认；最后点击“接受”。

1.5 利用模体自带图像分析软件进行分析

利用MRID 分析软件（V1.1.1）首先确定边界畸变矢量场（distortion vector field，DVF），该矢量场是根据模体的3D MR 图像中1 502 个控制点的位置与真实值进行比较得出；然后将三维拉普拉斯偏微分方程应用于边界DVF，计算出由5 117 个采样点组成的三维失真矢量场，如图2 所示。

图2 三维失真矢量场图像

1.6 统计学方法

将不同感兴趣区域内X、Y和Z方向的失真结果导入Graphpad Prism 8.0 软件中进行统计分析，不同测量范围内各个方向图像失真度以均值±标准差（±s）表示。

2 结果

2.1 模体图像范围内不同感兴趣区域的失真度分析

由表1 可以看出，在长度值固定的情况下，随着偏离磁场中心距离的增加失真度相应增大；对于不同直径的分组数据，长度为148 mm 空间范围内的Z方向失真度大于长度为100 mm 和321 mm 范围内的Z方向失真度。对模体大小为368 mm（直径）×321 mm（长度）区域内3 个方向（X、Y、Z）的图像几何失真进行分析，结果表明，图像在X、Y和Z方向上平均失真度均＜2.00 mm，其结果最大值分别为1.24、1.40 和1.05 mm，如图3 所示。

表1 QUASAR MRID 3D 失真模体的几何失真度测量数据统计

2.2 主磁场B0 失真度分析

B0失真度平均值为1.07 mm，Z方向上B0失真的详细信息如图4 所示。

图4 Z 方向上B0 的失真情况

3 讨论

目前开展MR 放疗定位的单位越来越多，由于MR-SIM 成像在距离磁场中心不同距离的区域内均存在着一定的图像失真现象，因此，定期开展图像质量检测是必不可少的质控项目之一。为了充分应对MR-SIM在放疗领域的广泛使用及确保放疗计划的精准度[20]，AAPM TG284 报告[21]建议采用本单位或MR 设备供应商及第三方厂家提供的带有定位标志的大体积模体（直径或宽度大于300 mm）或以3 个基本平面为方向的平面模体评估特定图像扫描序列下的图像失真情况。

在QUASAR MRID 3D 失真模体368 mm×321 mm的区域范围内，利用模体配套软件通过一次图像采集即可提供足够的因B0不均匀性和梯度非线性导致的三维视野内MR 图像失真信息，同时也可以快速分析出不同区域范围内的图像三维失真，从而确定获得的图像是否可用于放疗计划设计、定量评估及疗效评价。本研究对轴位方向上模体图像的失真情况的分析显示，在模体图像范围内平均失真度小于2 mm；而对不同大小体积及部位的感兴趣区内的失真数据分析显示，偏离中心轴距离为100 mm 时X方向几何失真度在1 mm 以内，此精度可以充分地保证立体定向放疗的定位要求[22]；在Z方向距离固定的情况下，随着偏离中心轴距离的增加，几何失真度呈现增大趋势，最大值在5 mm 左右，与Tavares 等[23]的研究结果相类似。B0磁场强度的增加对MRI 图像失真也存在一定影响，Rogers 等[24]利用肌肉浸润性膀胱癌模型对扩散加权MR 的几何失真度进行测量，结果显示随着B0强度的增加最大失真度相应增大。而对于在距离磁体等中心小于250 mm 处总失真度大于2 mm 的情况，AAPM TG284 报告中建议有资历的医学物理师应与设备供应商协商解决。

高场强MR 技术有更广泛的临床应用价值及更大的组织识别特性，尤其是对于小体积结构。但随着B0的增加，图像信噪比呈线性增大，进而图像失真度也相应增大。此外，在信噪比保持不变的前提下，高场强MR 可以有效地减少图像的采集时间，这样更加方便那些长时间固定困难的危重患者成像。但另一方面，由于B0不均匀性和患者本身引起的场效应造成的失真也与B0的增加成正比，详细地理解高磁场中的几何失真就变得更有意义[25]。B0不均匀性可能受到内部效应（线圈绕组或被动匀场线圈的不准确）或外部效应（磁体附近铁磁结构引起的扰动）的影响，进而导致图像出现几何形变、化学位移、脂肪饱和度差和信噪比损失等。对于B0和梯度失真的测定，尽管已经开发了几种基于模体[26]以及深度学习的方法[27]用于测量和校正梯度非线性效应，但MRID分析软件主要采用反向梯度法[28]。由于B0不均匀性和磁化率效应引起的失真在扫描过程中随读取梯度强度的反转而变化，通常在几个具有代表性的带宽上采集几个具有反转梯度极性的扫描图像，以表征带宽对读出/频率编码方向失真的影响。频率编码方向和带宽会大大影响B0失真，本研究中仅对单一的35.71 kHz 带宽下的B0失真进行分析，对于带宽对几何失真的影响将在后续的研究中进行探讨。另外，本研究仅对1 台设备的1 次测试数据进行分析，对于多次测试中的一致性以及在不同时间内测试数据的稳定性将在后续研究中进行探讨。

总之，QUASAR MRID 3D 失真模体可以快速准确地对高场强MR 图像进行失真度检测，从而保证MR-SIM 图像的放疗定位精度，更好地应用于肿瘤患者的精确放疗。

致谢 本研究得到了北京华光普泰科贸有限公司聂正卿、GE 公司吴超和陈小军以及解放军医学院博士研究生赵大伟的协助