MR-SIM外置輔助設備對圖像幾何形變影響的研究

劉鏢水 刁文超 郭旋 劉明治 許森奎

華南腫瘤學重點實驗室中山大學腫瘤防治中心放療科，廣州 510060

對比常規X線模擬機，計算機斷層攝影（computed tomography，CT）模擬機能夠進行斷層掃描，具有掃描時間快，圖像清晰的特點［1］。CT-SIM利用內置激光和外置激光定位系統設置體表標記點，提供體表標記和解剖結構信息，確定靶區位置，便于勾畫靶區［2］。CT圖像所具有的電子密度信息能用于劑量計算和放療計劃設計，是放射治療的基礎。但由于CT對軟組織成像具有天然缺陷，使得一些病灶與周圍正常組織沒有清晰明確的分界，例如脊髓、頭頸部、顱內等其他軟組織區域的腫瘤無法清晰確定［3］。磁共振（MR）成像可以獲得高空間分辨率和高對比度的圖像，具有良好的軟組織成像，且沒有輻射劑量的特點［4］。與CT成像技術相比，在軟組織、骨關節成像和腦功能成像等領域具有無可比擬的優勢［5］。隨著MRI技術的發展，已經成為了腫瘤放射治療系統中不可或缺的一部分，在治療前后可利用功能序列進行定量定性評估［6］。CT圖像和MR圖像的融合勾畫提高了勾畫準確性，并可用于優化放療計劃等［7］。醫學圖像的空間幾何準確性和不失真性是腫瘤放射治療的必要條件之一［8-9］，MR的成像原理使其具有較大缺點，由于磁場的不均勻性，導致MR圖像的幾何形變幾乎不可避免，而其圖像的空間幾何失真將會影響靶區位置的精確性［10］。MR-SIM在使用過程中易受外界信號的干擾，容易出現圖像偽影和空間幾何形變，從而影響勾畫靶區的準確性和放療計劃設計。MR圖像的幾何形變主要由3方面構成：一是系統性的幾何形變，受主磁場的均勻性和梯度磁場的線性影響，易導致空間形變，使圖像失真；二是由于患者體內物質結構的差異，對于磁場敏感性和化學位移效應不一所致；三是MR圖像對于射頻干擾信號比較敏感［11］，比如部分外部輔助設備、高壓注射器、外置激光定位系統等容易影響圖像質量。上述存在的問題，部分通過改變數據采集和掃描參數進行最優化調整，只能最大化降低其影響，并不能使其完全消除。本文主要討論第3類影響因素——外置輔助設備對圖像幾何形變和質量的影響。

設備與方法

1、設備

設備為Philips ingenia 3.0T MR模擬定位機，測試模體為飛利浦提供的幾何形變校正模體、medtron高壓注射器、LAP外置激光定位系統。

2、方法

通過改變MR-SIM掃描過程中常用設備的狀態，檢驗不同組合情況下對MR圖像幾何形變的影響。掃描期間常用儀器狀態：激光燈常開或關閉，高壓注射器操作屏幕常開或關閉，高壓注射器位于MR-SIM前方或后方。3種情況進行兩兩組合對比，觀察不同狀態下對MR圖像的影響。實驗中采用步進式掃描，以磁體中心為0位，測試0 mm、±60 mm、±130 mm、±200 mm 7個空間位置的幾何形變，幾何形變分析軟件由飛利浦MR-SIM提供。臨床上MR-SIM對于空間幾何形變的要求：位于0 mm、±60 mm、±130 mm處，在以磁體中心為圓心，長軸425 mm（左右方向），短軸365 mm（前后方向）的橢圓區域內，幾何形變要求2 mm內；位于±200 mm處，在以磁體中心為圓心，直徑為190 mm的圓內，幾何形變要求5 mm內（圖1）。根據形變結果，勾畫出5 mm、3 mm、2 mm、1 mm形變區域。

圖1 臨床上磁共振-SIM對于空間幾何形變的要求

結 果

在外置激光系統常開或關閉、高壓注射器操作屏幕常開或關閉、高壓注射器位于MR前方或后方的情況下，共進行了6組對比實驗。具體設置情況見表1~6。

由表1可知，外置激光系統相較于高壓注射器對圖像的影響較小，但在-130 mm、-200 mm，由于高壓注射器影響，圖像已經出現射頻偽影。

由表2可知，在外置激光開啟，高壓注射器放置在MR-SIM前方的情況下，高壓注射器操作屏幕開啟，對圖像的影響要高于高壓注射器操作屏幕關閉。在-130 mm、-200 mm處出現射頻偽影，邊緣形變較大。

表3結果與表2對比，在高壓注射器操作屏幕開啟的情況下：一、外置激光常開進一步降低圖像質量，在-200 mm處，既出現了射頻偽影，且要求區域內形變從2 mm增加到3 mm；二、外置激光不開啟，且高壓注射器放在MR-SIM后方時，盡管仍舊在-130 mm、-200 mm處出現射頻偽影，但偽影較小，圖像形變相對將高壓注射器放置在MR-SIM前方時要小。

表2 外置激光開，高壓注射器置于磁共振-SIM前方，操作屏幕狀態改變

與高壓注射器操作屏幕開啟對比，屏幕關閉對圖像質量的影響較小。高壓注射器在操作屏幕關閉的情況下，放置在MR的后方，對圖像質量的影響最小，沒有出現射頻偽影。見表4。

表4 高壓注射器操作屏幕關閉放置于磁共振-SIM不同位置

在外置激光開啟，高壓注射器放置在MR-SIM后方的條件下，高壓注射器操作屏幕關閉對于圖像的影響較小，沒有出現射頻偽影，但仍存在邊緣形變。見表5。

與表5對比，高壓注射器放置在MR-SIM的前方，在外置激光和操控屏幕開啟的情況下，-130 mm、-200 mm處出現較明顯的射頻偽影，圖像的形變也更明顯，見表6。

表5 外置激光開啟且高壓注射器放置在磁共振-SIM的后面，操控屏幕狀態不同

表6 外置激光開啟且操控屏幕開啟，高壓注射器放置位置不同

綜合6個表的對比結果：第一，外置激光對于圖像幾何形變具有一定的影響。通過表1、2的結果，在開啟外置激光和高壓注射器的2個條件下，對比單一開啟高壓注射器或外置激光的條件，圖像質量呈明顯下降，不僅出現了射頻偽影，且在要求區域內，圖像形變嚴重。第二，高壓注射器的擺放位置對于圖像不存在影響，從表格結果中可以看到，高壓注射器放置在MR-SIM前方或者后方，圖像都易出現射頻偽影。第三，圖像形變多發生在邊緣區域，圖像中間區域很少存在明顯形變。如圖2，圖像的要求區域幾何形變都滿足要求，圖像顯示正常。圖3，高壓注射器操作屏幕開啟，放置在MR-SIM前，且幾何校正膜體置于-130 mm處，圖像出現較嚴重的射頻偽影，且圖像幾何形變較大，多個點不滿足形變要求。圖4，高壓注射器操作屏幕開啟，放置在MR-SIM后，圖像要求區域內出現射頻偽影，對比注射器放前面，偽影較小。圖5，外置激光開啟，幾何膜體位于200 mm處，圖像1 mm形變區域發生明顯變化，其余區域在正常范圍內。

圖2 磁共振-SIM圖像顯示正常

圖3 高壓注射器開啟置于磁共振-SIM前方（幾何校正模體位于-130 mm）

圖4 高壓注射器開啟置于磁共振-SIM后方（幾何校正模體位于-130 mm）

圖5 磁共振-SIM外置激光開啟（幾何校正模體位于200 mm處）

表1 外置激光打開與高壓注射器放置在磁共振-SIM前面（屏幕熄）

討 論

通過對MR-SIM外部輔助設備開啟或關閉狀態對于圖像質量影響的實驗，可以確定：⑴高壓注射器的狀態對圖像幾何形變的影響較大，在邊緣區域較明顯，當幾何校正模體在-130 mm、-200 mm處，容易出現射頻偽影，在0 mm、±60 mm處，圖像質量較為穩定，出現的幾何形變多在可接受范圍內；⑵在不同情況下，磁體中心區域的幾何形變都較小，不會有較明顯變化；但由于在不同位置，磁場受到磁共振外部輔助設備的影響程度不一致，因此圖像形變程度也不一致；⑶在臨床掃描中，應該保持外置激光關閉，且高壓注射器的操作界面應處于關閉狀態，例如，可采用在MR掃描操作間加裝一個控制外置激光的開關，在每次掃描前將外置激光關閉后再進行掃描；同時根據不同的掃描需求，選擇開關高壓注射器；⑷應在臨床使用標準操作流程中，定好關閉外置激光和高壓注射器操作界面的順序，降低其對MR圖像的影響。

MR成像系統由于其成像原理所致，容易出現各種偽影，例如卷褶偽影、運動偽影、截斷偽影、射頻偽影等［10］。射頻偽影是由于射頻信號干擾，使圖像中生成一條或多條明亮條帶，或者出現網格樣偽影。出現這類情況的偽影常意味著系統出現故障或者來自外部射頻干擾［11］。在腫瘤放射治療中，由于需要對腫瘤患者進行模擬定位，且需要注射對比劑增強影像的情況，因此使用高壓注射器和外置激光輔助掃描成像。在使用外部輔助設備的過程中，是否由于外部輔助設備的材質問題，引起外部射頻信號的干擾導致圖像質量下降的現象，本次試驗并未對此問題進行討論。另外，本次實驗對于高壓注射器的放置位置沒有具體規定，高壓注射器放置于MR-SIM的前后距離沒有做詳細討論，因此結果中高壓注射器放置在MR-SIM的前后位置的對比結果不明顯，還有待進一步實驗。

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