MR空間精度測(cè)試體模與圖像校正方法

王學(xué)民，鄺麗娜，趙立濤，馮遠(yuǎn)明*

(1.天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072；2.天津市生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)技術(shù)與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

MR在軟組織成像上的優(yōu)勢(shì)顯著，可明確診斷多數(shù)人體病變。MRI作為制定放療計(jì)劃的重要依據(jù)，對(duì)成像設(shè)備的空間精度和準(zhǔn)確性提出了更高要求，目前多采用體模對(duì)MR設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控和校準(zhǔn)。常見的已定型體模雖然整體性能全面，卻難以滿足臨床個(gè)性化需求。在空間精度監(jiān)控方面，美國(guó)放射學(xué)會(huì)(American College of Radiology, ACR)體模通過(guò)測(cè)量常規(guī)序列下的形態(tài)差異來(lái)檢測(cè)畸變[1]；Magphan SMR170體模通過(guò)將標(biāo)準(zhǔn)2D測(cè)試板改裝為10 cm的測(cè)試立方體來(lái)測(cè)量畸變情況[2-4]；設(shè)備隨機(jī)配備體模則旨在檢測(cè)指標(biāo)正常與否。此外，Wang等[5-7]采用自制體模探討MRI用于立體定向放射計(jì)劃的可行性；Torfeh等[8-10]提出檢測(cè)幾何畸變的新思路。上述研究在一定程度上為實(shí)現(xiàn)多層面、多方位幾何畸變的臨床質(zhì)檢提供了方法，但在空間精度和定量檢測(cè)設(shè)備空間幾何畸變方面仍有待改善。本研究旨在依照MR質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)能夠滿足高度個(gè)性化需求、定量化、高精度保障的MR空間精度測(cè)試體模與圖像校正方法，以確保MR設(shè)備正常運(yùn)行，為臨床精準(zhǔn)醫(yī)療提供有效的輔助依據(jù)。

1 設(shè)計(jì)與方法

1.1體模設(shè)計(jì) 為提高測(cè)試體模的普適性、準(zhǔn)確性，忽略試驗(yàn)體模與人體真實(shí)結(jié)構(gòu)不同而導(dǎo)致的差異，設(shè)計(jì)體模如下。

1.1.1材料及規(guī)格 體模為仿真人體靜態(tài)結(jié)構(gòu)，材質(zhì)為聚甲基丙烯酸甲酯(polymenthyl methacrylate, PMMA)；各組件連接后的整體橫向最大外徑為240 mm，以適應(yīng)多數(shù)MR設(shè)備最大閉合線圈。

1.1.2加工處理 采取以下措施以保障體模精度：①選用適宜加工設(shè)備，依照體模設(shè)計(jì)圖，在精密作業(yè)時(shí)形成“精度反饋調(diào)節(jié)機(jī)制”，嚴(yán)控加工精度；②對(duì)加工設(shè)備進(jìn)行日常質(zhì)檢，合理控制環(huán)境溫度；③加工精度為0.1 mm，剔除經(jīng)檢驗(yàn)不合格的PMMA。由于試驗(yàn)時(shí)溫度范圍處于PMMA線脹系數(shù)變化的恒穩(wěn)區(qū)，可忽略試驗(yàn)過(guò)程中因環(huán)境溫度變化引起的線脹現(xiàn)象對(duì)測(cè)試體模精度的影響。

1.1.3空間精度測(cè)試組件的設(shè)計(jì)與裝配 測(cè)試組件的頂、底層為鏡像設(shè)計(jì)，見圖1。分別于相應(yīng)平面沿互相垂直的3個(gè)坐標(biāo)軸(x、y、z)方向開槽，槽直徑為5 mm，槽間距dx=dy=dz=20 mm；中間層、頂/底層厚度分別為h1=20 mm、h2=10 mm，各層限位孔直徑為12 mm，其中心距邊緣h3=h4=20 mm，最外側(cè)圓槽距邊緣h5=h6=10 mm。裝配時(shí)將限位棒置于限位孔，以確保平面精度；采用進(jìn)動(dòng)裝置平行推進(jìn)層間堆疊，實(shí)時(shí)測(cè)量裝配過(guò)程中已堆疊零件的總體厚度，以避免在垂直于平面的維度積累誤差。為便于檢測(cè)空間幾何畸變情況，將控制點(diǎn)區(qū)域(裝配后體模內(nèi)互相垂直的x、y、z坐標(biāo)軸方向上圓槽的交匯處)作為本試驗(yàn)的研究對(duì)象，該組件在平面、空間上分別構(gòu)成平方網(wǎng)格(8×8)及立方(8×8×8)控制點(diǎn)模型。

1.1.4固定外殼 固定外殼由直徑240 mm、高160 mm的中空?qǐng)A柱體及水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成。將上述測(cè)試組件嵌入中空?qǐng)A柱體，方便置于射頻線圈；水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包含水平校準(zhǔn)水泡和支撐部件，使用者通過(guò)觀察校準(zhǔn)水泡的狀態(tài)調(diào)整支撐部件，即可校驗(yàn)測(cè)試組件的空間位置。

1.1.5配液 在組合而成的連通區(qū)域注入可模擬生物組織電導(dǎo)特性、可產(chǎn)生不同T1和T2特性參數(shù)的順磁性溶液，以便后期成像。選取無(wú)水硫酸銅+水溶液作為顯影材料。

圖1 空間精度測(cè)試組件 A.設(shè)計(jì)圖； B.實(shí)物圖 圖2 MRI處理流程圖

1.1.6體模連接 在測(cè)試組件中充盈配液，與固定外殼配合而成空間精度測(cè)試體模，將其放入成像用檢測(cè)線圈；采集前使體模中心與主磁場(chǎng)中心重合，調(diào)整體模至水平位，以保障空間精度的有效性；排除體模內(nèi)氣體，以防止對(duì)圖像產(chǎn)生干擾。以上設(shè)置檢查無(wú)誤后方可進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2儀器與圖像采集 采用GE Signa Infinity ExciteⅡ 1.5T MR掃描儀，每次試驗(yàn)重復(fù)3次，間隔24 h，以驗(yàn)證體模的可重復(fù)性。為確保檢測(cè)MR空間幾何畸變的有效性，MRI采集包含體模準(zhǔn)確性校驗(yàn)和MR設(shè)備畸變性檢測(cè)：前者通過(guò)對(duì)比分析ACR與自制體模在SE不同TR、TE參數(shù)，矩陣256×256，F(xiàn)OV 250 mm×250 mm，層厚5 mm，間隔5 mm設(shè)置下的幾何畸變率，來(lái)驗(yàn)證自制體模的可靠性及準(zhǔn)確性；后者旨在定量分析設(shè)備在不同空間位置的畸變情況。鑒于不同掃描設(shè)置下設(shè)備畸變情況各異，下文以軸位、矢狀位及冠狀位T2WI，TR 2 940 ms，TE 107 ms，F(xiàn)OV 150 mm×150 mm，層厚20 mm，間隔20 mm設(shè)置下的畸變情況為例進(jìn)行闡述。

1.3體模準(zhǔn)確性校驗(yàn)方法 對(duì)自制、ACR體模的MR圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)、幾何形態(tài)參數(shù)提取，計(jì)算其與標(biāo)定值的差異，分析二者幾何畸變率的一致性。

1.4幾何畸變檢測(cè)與校正方法 在上述基礎(chǔ)上，對(duì)檢測(cè)試驗(yàn)自制體模所獲取的MRI進(jìn)行后處理，見圖2，定量檢測(cè)、校正MR設(shè)備的空間畸變情況，以進(jìn)一步提高M(jìn)RI精度。

1.4.1預(yù)處理 首先對(duì)MRI進(jìn)行平滑處理，以消除測(cè)試組件層間裝配對(duì)試驗(yàn)精度的影響。而后采用灰度變換與形態(tài)學(xué)高低帽變換聯(lián)合增強(qiáng)算法，以增強(qiáng)控制點(diǎn)區(qū)域。試驗(yàn)材料在成像時(shí)的灰階變化范圍較小[11]，通過(guò)調(diào)整式(1)中γ值可調(diào)整MRI灰度，根據(jù)后者分布特征及多次試驗(yàn)驗(yàn)證，取c=1、γ=2可更好地壓縮低灰度級(jí)增強(qiáng)高灰度級(jí)，控制點(diǎn)區(qū)域輸出效果最佳。高帽變換可從背景中有效分離控制點(diǎn)區(qū)域，低帽變換能凸顯非控制點(diǎn)區(qū)域，二者結(jié)合可更好地滿足試驗(yàn)需求。對(duì)上述圖像進(jìn)行歸一化。

s=crγ

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1.5統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 采用SPSS 23.0統(tǒng)計(jì)分析軟件。以組內(nèi)相關(guān)系數(shù)(interclass correlation coefficient, ICC)分析準(zhǔn)確性校驗(yàn)試驗(yàn)中ACR與自制體模在不同掃描參數(shù)下幾何畸變率的一致性，ICC>0.75為一致性良好，ICC 為0.50～≤0.75為一致性一般，ICC<0.50為一致性差。采用配對(duì)t檢驗(yàn)分別比較校正前試驗(yàn)控制點(diǎn)位置與已標(biāo)定控制點(diǎn)位置、校正后試驗(yàn)控制點(diǎn)位置與已標(biāo)定控制點(diǎn)位置的差異，分析畸變性檢測(cè)試驗(yàn)中MR設(shè)備幾何畸變情況及校正方法的有效性。P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

表1 校正前后各方向的失真參數(shù)

注：r：試驗(yàn)控制點(diǎn)與相應(yīng)已標(biāo)定控制點(diǎn)的空間距離

2 結(jié)果

相同試驗(yàn)條件下，自制體模與ACR體模的幾何畸變率一致性好(ICC>0.96)。采用預(yù)處理、特征提取方法處理后的MRI既能有效顯示特征區(qū)域，亦可有效剔除偽特征區(qū)域，效果見圖3。經(jīng)配準(zhǔn)后，試驗(yàn)、已標(biāo)定控制點(diǎn)位置可直觀顯示，見圖4。

校正前試驗(yàn)控制點(diǎn)位置與已標(biāo)定控制點(diǎn)位置差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，將體模置于MR設(shè)備成像時(shí)， MR圖像存在一定程度的幾何畸變現(xiàn)象。觀察沿z軸δx、δy、δz、δr在體模立方空間的最大失真情況，繪制失真曲線見圖5A，發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)中心綜合幾何失真最不明顯，在勻場(chǎng)性較好的區(qū)域，同方向失真無(wú)明顯差異；越偏離中心，失真情況越明顯，且各方向的失真趨勢(shì)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。在體模涵蓋的空間范圍，校正前、后各方向的失真參數(shù)見表1，繪制δr失真圖見圖5B、5C。校正后試驗(yàn)控制點(diǎn)位置與已標(biāo)定控制點(diǎn)位置差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。

3 討論

準(zhǔn)確性校驗(yàn)試驗(yàn)中，ACR與自制體模的總體幾何畸變率一致性好，但幾何畸變率不完全相同，原因可能是二者涵蓋的空間范圍不同，導(dǎo)致幾何畸變率略有差異。MR設(shè)備的幾何畸變?cè)贛R圖像中的具體表征為控制點(diǎn)形態(tài)不一致，原因可能為主磁場(chǎng)不均勻及梯度場(chǎng)非線性，快速切換的梯度磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生渦流，而渦流的存在亦會(huì)影響梯度磁場(chǎng)的線性度。

圖3 MRI采集、處理效果圖 A.MRI采集效果圖； B.增強(qiáng)和偽特征區(qū)域剔除效果圖 圖4 試驗(yàn)、已標(biāo)定控制點(diǎn)位置對(duì)比圖 圖5 體模失真情況 A.沿z軸各方向的失真曲線； B.校正前δr失真圖； C.校正后δr失真圖

本研究設(shè)計(jì)的MR空間精度測(cè)試體模與圖像校正方法能夠滿足臨床MR設(shè)備質(zhì)量監(jiān)控需求，定量化檢測(cè)與校正MR設(shè)備空間幾何畸變，為放療計(jì)劃提供個(gè)性化高精度保障，為臨床疾病精準(zhǔn)診斷提供有效輔助依據(jù)。為實(shí)現(xiàn)“模擬人”，提高M(jìn)R體模的普適性和實(shí)用性，后續(xù)擬在此研究基礎(chǔ)上增加動(dòng)態(tài)測(cè)試模塊，進(jìn)一步定量觀察MR設(shè)備在不同掃描設(shè)置下對(duì)動(dòng)態(tài)流體的影響，以制定綜合質(zhì)量監(jiān)控方案，更好地滿足臨床MR設(shè)備高精度、多參數(shù)的質(zhì)檢需求。