QUASAR MRID 3D 失真模體在高場(chǎng)強(qiáng)磁共振模擬定位機(jī)失真度檢測(cè)中的應(yīng)用價(jià)值

鞏漢順，李金峰，曲寶林，臧 曉，梁宇鵬，王樹鑫，戴相昆，徐壽平*

（1.解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心放療科，北京100853；2.解放軍總醫(yī)院第一醫(yī)學(xué)中心放射科，北京100853）

0 引言

隨著放療中MR 影像引導(dǎo)加速器的推廣使用[1-2]，MR 圖像的應(yīng)用貫穿整個(gè)放療流程，包括腫瘤診斷[3-4]、放療定位[5]、靶區(qū)勾畫[6-7]、放療計(jì)劃設(shè)計(jì)[8-9]、圖像引導(dǎo)放療[10-11]、后續(xù)自適應(yīng)放療及最終療效評(píng)價(jià)[12-13]。磁共振模擬定位機(jī)（magnetic resonance simulator，MR-SIM）最大孔徑可達(dá)700 mm，為放療擺位提供了足夠的空間保障，可以更好地發(fā)揮MR 圖像的優(yōu)勢(shì)。隨著MR 設(shè)備主磁場(chǎng)（B0）強(qiáng)度的增加，其優(yōu)勢(shì)也顯而易見：3.0T MR較1.5T MR 具有更高的圖像質(zhì)量[14]，在腦功能成像、血管成像及動(dòng)態(tài)成像等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)高場(chǎng)強(qiáng)MR 具有更快的掃描速度，提高了患者掃描的可接受度，更加適用于需要采用熱塑膜固定的放療定位患者，但高場(chǎng)強(qiáng)也不可避免地在某種程度上增加了MR圖像磁敏感及化學(xué)位移偽影[15]。對(duì)于MR 設(shè)備自身來說，隨著偏離主磁場(chǎng)中心距離的增加，圖像三維方向的幾何失真程度也會(huì)越來越大[16]；當(dāng)圖像幾何失真度達(dá)1.97 mm 時(shí)，器官結(jié)構(gòu)平均體積偏差可達(dá)0.2%[17]。為了充分滿足精確放療中靶區(qū)勾畫及劑量計(jì)算的要求，圖像精度對(duì)大孔徑高場(chǎng)強(qiáng)MR-SIM 提出了比診斷MR設(shè)備更高的要求——感興趣區(qū)域圖像三維方向的幾何失真度應(yīng)控制在2 mm 以內(nèi)[18]。

與其他僅對(duì)少數(shù)成像平面進(jìn)行采樣的失真分析模體不同，大直徑QUASAR MRID 3D 失真模體可在一次圖像采集中分析整個(gè)三維視野內(nèi)的失真度。本研究中為了對(duì)大孔徑高場(chǎng)強(qiáng)MR-SIM 的圖像質(zhì)量進(jìn)行快速評(píng)估，對(duì)QUASAR MRID 3D 失真模體進(jìn)行掃描，利用配套分析軟件對(duì)獲取的特定掃描序列的模體圖像進(jìn)行定量分析，以確保腫瘤患者M(jìn)R 模擬定位的精度，從而實(shí)現(xiàn)精確及個(gè)性化放療。

1 資料與方法

1.1 MR-SIM

采用GE 公司的MR Discovery 750W（3.0T），其采用大孔徑（700 mm）設(shè)計(jì)，最大圖像重建視野（field of view，F(xiàn)OV）直徑達(dá)500 mm，并配備放療專用平板床、專用線圈以及可移動(dòng)激光定位燈和特定優(yōu)化掃描序列，且具備呼吸門控/4D 成像功能[19]。本研究通過對(duì)該設(shè)備獲得的失真模體圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，以分析該設(shè)備所獲得圖像的失真度及主磁場(chǎng)B0失真。

1.2 檢測(cè)設(shè)備

采用QUASAR MRID 3D 失真模體（Modus Medical Devices Inc，加拿大）：采用丙烯酸材質(zhì)，物理尺寸為394 mm（直徑）×391 mm（長(zhǎng)），成像范圍為368 mm（直徑）×321 mm（長(zhǎng)度）。模體周圍為一組以18 mm 間隔均勻分布的作為基準(zhǔn)的1 502 個(gè)精密加工的3 mm（直徑）×6 mm（長(zhǎng)度）的盲孔，盲孔內(nèi)由高T1WI 對(duì)比度的石蠟礦物油填充；模體中心包含一個(gè)長(zhǎng)方形的小型成像插件，其物理尺寸為30 mm×40 mm×50 mm（X、Y、Z），主要用于定位及軟件中MR 圖像在X、Y、Z方向的快速確認(rèn)。

1.3 檢測(cè)方法

1.3.1 模體準(zhǔn)備

由于在運(yùn)輸及貯存期間可能會(huì)發(fā)生少量氣泡附著于模體內(nèi)壁的情況，為保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)在掃描前確保模體內(nèi)無氣泡。

1.3.2 模體擺位

首先將QUASAR MRID 3D 失真模體放置在MR掃描床上，使模體的中心十字線對(duì)準(zhǔn)定位激光燈，保證模體無滾動(dòng)、俯仰或偏轉(zhuǎn)（如圖1 所示）；然后確定基準(zhǔn)位置，進(jìn)床將模體移至磁體中心位置，在模體定位后及后續(xù)掃描過程中需關(guān)閉激光燈，以減小由此帶來的噪聲影響；最后利用集成射頻體線圈獲取模體圖像。

圖1 QUASAR MRID 3D 失真模體掃描定位圖

1.4 掃描條件

1.4.1 平面定位像

在進(jìn)行完整的3D 各向同性掃描之前，采用三平面定位像掃描確認(rèn)模體位置，以保證磁體和模體的等中心點(diǎn)在前后（AP）方向的誤差在10 mm 以內(nèi)，從而使模體在AP 方向上位于MR系統(tǒng)成像范圍內(nèi)。

1.4.2 掃描參數(shù)設(shè)置

采用快速梯度回波（gradient recalled echo，GRE）序列，使用3D T1WI 軸向掃描；厚度及層間距均為1.5 mm；開啟3D 幾何失真校正；視野（field of view）為410 mm×410 mm；單個(gè)層面/拼接選擇沿Z方向（切片方向）366 mm；回波時(shí)間（echo time，TE）及重復(fù)時(shí)間（repetition time，TR）均設(shè)置為最小值；翻轉(zhuǎn)角為18°；帶寬為35.71 kHz；采樣百分比為100，相位視野百分比為100；減少或關(guān)閉與數(shù)據(jù)插值或欠采樣相關(guān)的選項(xiàng)；不施加脂肪飽和脈沖或反轉(zhuǎn)恢復(fù)脈沖。

1.4.3 采用高級(jí)掃描程序進(jìn)行圖像掃描

對(duì)于GE MR 系統(tǒng)，高級(jí)掃描程序步驟如下：保持掃描參數(shù)不變，僅在讀取梯度極性（頻率編碼、脂肪化學(xué)位移、脂肪位移方向）相反的情況下進(jìn)行第二次掃描。更改GE MR 系統(tǒng)上的頻率編碼梯度，步驟如下：首先從“臨床模式”切換到“研究模式”以便顯示控制變量；然后在“CV Name”中輸入“swap_fat_cs”，點(diǎn)擊回車鍵；再將“當(dāng)前值”由“0”修改為“1”，點(diǎn)擊回車確認(rèn)；最后點(diǎn)擊“接受”。

1.5 利用模體自帶圖像分析軟件進(jìn)行分析

利用MRID 分析軟件（V1.1.1）首先確定邊界畸變矢量場(chǎng)（distortion vector field，DVF），該矢量場(chǎng)是根據(jù)模體的3D MR 圖像中1 502 個(gè)控制點(diǎn)的位置與真實(shí)值進(jìn)行比較得出；然后將三維拉普拉斯偏微分方程應(yīng)用于邊界DVF，計(jì)算出由5 117 個(gè)采樣點(diǎn)組成的三維失真矢量場(chǎng)，如圖2 所示。

圖2 三維失真矢量場(chǎng)圖像

1.6 統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

將不同感興趣區(qū)域內(nèi)X、Y和Z方向的失真結(jié)果導(dǎo)入Graphpad Prism 8.0 軟件中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，不同測(cè)量范圍內(nèi)各個(gè)方向圖像失真度以均值±標(biāo)準(zhǔn)差（±s）表示。

2 結(jié)果

2.1 模體圖像范圍內(nèi)不同感興趣區(qū)域的失真度分析

由表1 可以看出，在長(zhǎng)度值固定的情況下，隨著偏離磁場(chǎng)中心距離的增加失真度相應(yīng)增大；對(duì)于不同直徑的分組數(shù)據(jù)，長(zhǎng)度為148 mm 空間范圍內(nèi)的Z方向失真度大于長(zhǎng)度為100 mm 和321 mm 范圍內(nèi)的Z方向失真度。對(duì)模體大小為368 mm（直徑）×321 mm（長(zhǎng)度）區(qū)域內(nèi)3 個(gè)方向（X、Y、Z）的圖像幾何失真進(jìn)行分析，結(jié)果表明，圖像在X、Y和Z方向上平均失真度均＜2.00 mm，其結(jié)果最大值分別為1.24、1.40 和1.05 mm，如圖3 所示。

表1 QUASAR MRID 3D 失真模體的幾何失真度測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

2.2 主磁場(chǎng)B0 失真度分析

B0失真度平均值為1.07 mm，Z方向上B0失真的詳細(xì)信息如圖4 所示。

圖4 Z 方向上B0 的失真情況

3 討論

目前開展MR 放療定位的單位越來越多，由于MR-SIM 成像在距離磁場(chǎng)中心不同距離的區(qū)域內(nèi)均存在著一定的圖像失真現(xiàn)象，因此，定期開展圖像質(zhì)量檢測(cè)是必不可少的質(zhì)控項(xiàng)目之一。為了充分應(yīng)對(duì)MR-SIM在放療領(lǐng)域的廣泛使用及確保放療計(jì)劃的精準(zhǔn)度[20]，AAPM TG284 報(bào)告[21]建議采用本單位或MR 設(shè)備供應(yīng)商及第三方廠家提供的帶有定位標(biāo)志的大體積模體（直徑或?qū)挾却笥?00 mm）或以3 個(gè)基本平面為方向的平面模體評(píng)估特定圖像掃描序列下的圖像失真情況。

在QUASAR MRID 3D 失真模體368 mm×321 mm的區(qū)域范圍內(nèi)，利用模體配套軟件通過一次圖像采集即可提供足夠的因B0不均勻性和梯度非線性導(dǎo)致的三維視野內(nèi)MR 圖像失真信息，同時(shí)也可以快速分析出不同區(qū)域范圍內(nèi)的圖像三維失真，從而確定獲得的圖像是否可用于放療計(jì)劃設(shè)計(jì)、定量評(píng)估及療效評(píng)價(jià)。本研究對(duì)軸位方向上模體圖像的失真情況的分析顯示，在模體圖像范圍內(nèi)平均失真度小于2 mm；而對(duì)不同大小體積及部位的感興趣區(qū)內(nèi)的失真數(shù)據(jù)分析顯示，偏離中心軸距離為100 mm 時(shí)X方向幾何失真度在1 mm 以內(nèi)，此精度可以充分地保證立體定向放療的定位要求[22]；在Z方向距離固定的情況下，隨著偏離中心軸距離的增加，幾何失真度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，最大值在5 mm 左右，與Tavares 等[23]的研究結(jié)果相類似。B0磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加對(duì)MRI 圖像失真也存在一定影響，Rogers 等[24]利用肌肉浸潤(rùn)性膀胱癌模型對(duì)擴(kuò)散加權(quán)MR 的幾何失真度進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果顯示隨著B0強(qiáng)度的增加最大失真度相應(yīng)增大。而對(duì)于在距離磁體等中心小于250 mm 處總失真度大于2 mm 的情況，AAPM TG284 報(bào)告中建議有資歷的醫(yī)學(xué)物理師應(yīng)與設(shè)備供應(yīng)商協(xié)商解決。

高場(chǎng)強(qiáng)MR 技術(shù)有更廣泛的臨床應(yīng)用價(jià)值及更大的組織識(shí)別特性，尤其是對(duì)于小體積結(jié)構(gòu)。但隨著B0的增加，圖像信噪比呈線性增大，進(jìn)而圖像失真度也相應(yīng)增大。此外，在信噪比保持不變的前提下，高場(chǎng)強(qiáng)MR 可以有效地減少圖像的采集時(shí)間，這樣更加方便那些長(zhǎng)時(shí)間固定困難的危重患者成像。但另一方面，由于B0不均勻性和患者本身引起的場(chǎng)效應(yīng)造成的失真也與B0的增加成正比，詳細(xì)地理解高磁場(chǎng)中的幾何失真就變得更有意義[25]。B0不均勻性可能受到內(nèi)部效應(yīng)（線圈繞組或被動(dòng)勻場(chǎng)線圈的不準(zhǔn)確）或外部效應(yīng)（磁體附近鐵磁結(jié)構(gòu)引起的擾動(dòng)）的影響，進(jìn)而導(dǎo)致圖像出現(xiàn)幾何形變、化學(xué)位移、脂肪飽和度差和信噪比損失等。對(duì)于B0和梯度失真的測(cè)定，盡管已經(jīng)開發(fā)了幾種基于模體[26]以及深度學(xué)習(xí)的方法[27]用于測(cè)量和校正梯度非線性效應(yīng)，但MRID分析軟件主要采用反向梯度法[28]。由于B0不均勻性和磁化率效應(yīng)引起的失真在掃描過程中隨讀取梯度強(qiáng)度的反轉(zhuǎn)而變化，通常在幾個(gè)具有代表性的帶寬上采集幾個(gè)具有反轉(zhuǎn)梯度極性的掃描圖像，以表征帶寬對(duì)讀出/頻率編碼方向失真的影響。頻率編碼方向和帶寬會(huì)大大影響B(tài)0失真，本研究中僅對(duì)單一的35.71 kHz 帶寬下的B0失真進(jìn)行分析，對(duì)于帶寬對(duì)幾何失真的影響將在后續(xù)的研究中進(jìn)行探討。另外，本研究?jī)H對(duì)1 臺(tái)設(shè)備的1 次測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)于多次測(cè)試中的一致性以及在不同時(shí)間內(nèi)測(cè)試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性將在后續(xù)研究中進(jìn)行探討。

總之，QUASAR MRID 3D 失真模體可以快速準(zhǔn)確地對(duì)高場(chǎng)強(qiáng)MR 圖像進(jìn)行失真度檢測(cè)，從而保證MR-SIM 圖像的放療定位精度，更好地應(yīng)用于腫瘤患者的精確放療。

致謝 本研究得到了北京華光普泰科貿(mào)有限公司聶正卿、GE 公司吳超和陳小軍以及解放軍醫(yī)學(xué)院博士研究生趙大偉的協(xié)助