MRI模拟定位机验收测试及其图像质量保证

巩汉顺，徐寿平，徐伟，王树鑫，戴相昆，曲宝林

解放军总医院放射治疗科，北京市，100853

0 引言

MRI模拟定位机（MRI-Sim）在放疗领域得到广泛应用，通过与CT模拟定位影像进行配准能够进一步提高靶区勾画精度，从而为精确放疗提供强有力保障[1]，但同时存在一定的局限性：图像失真[2]、定位精度有待提高、易受伪影影响及射野较小等。肿瘤放射治疗对靶区位置精度要求较高，因此对设备机械性能及图像质量的要求就更为严格，与单纯MRI设备的质量控制有一定区别。本文着重对MRI-Sim设备的验收测试及图像质量保证进行阐述。

1 材料与方法

1.1 MRI-Sim简介

我院引进GE公司的MRI Discovery 750 W （3.0 T）于2017年5月正式安装调试完毕，采用大孔径（70 cm）设计，最大图像重建视野（Field of View, FOV）为50 cm；配备放疗专用平板床及专用线圈；可移动激光定位灯及特定优化扫描序列；具备呼吸门控/4D成像功能。

1.2 参考指南及模体

MRI-Sim质控项目主要参考以下依据：美国放射学会（American College of Radiology，ACR）MRI质量控制手册[3-5]；ACR模体测试指南[6]；美国医学物理学家学会（American Association of Physicists in Medicine，AAPM）TG66[7]及AAPM No.100[8]报告。

1.3 验收及质控指标

验收及质控指标包括：MRI-Sim系统安全性检查、机械精度检测、MRI扫描系统检测和图像质量检测。

MRI-Sim系统安全性检查包括：区域/位置访问限制、警示标记、报警球、视频/音频监控系统、金属探测器和应急系统。

采用Aquarius MRI激光灯定位模体进行检测（图1）。机械精度检测包括：扫描床运动精度（标准：±1 mm）、移动激光灯定位精度（标准：±1 mm）、激光灯系统与扫描平面的一致性（标准：±2 mm）。

对于各磁场系统及数据采集系统的校准，通常需与设备供应厂家联合完成。MRI-Sim扫描系统主要包括：机房边缘场范围、磁场均匀性测试、各线圈检查性能检测、磁场中心频率、射频发射增益及液氦检查。

图1 Aquarius MRI激光灯定位模体及轴位扫描图像Fig.1 Aquarius MRI laser positioning module and axial scan image

（1）机房边缘场范围

主要查看5高斯线所包含范围，如图2所示。

图2 MRI-Sim机房边缘场范围示意图Fig.2 Schematic diagram of the MRI-Sim fringe field

（2）磁场均匀性测试

磁场均匀性是指在特定容积范围内主磁场强度B0的一致性；通常表示为特定半径球形容积内磁场强度的变化，采用ppm表示。利用厂家提供的球形模体（图3），通常采用以下4种方法：波谱峰值法、相位地图法、相位差地图法及带宽差值法进行检测。ACR标准：超导磁体中直径为30 cm球形容积内，其值应在2 ppm左右[5]。

图3 磁场均匀性测试模体及结果示意图Fig.3 Magnetic field uniformity test phantom and result schematic

（3）各线圈SNR检查（图4）

容积线圈：SNRACR=Sphantom/σair，ACR标准：基准值。

表面线圈或相控阵线圈：SNRmax=Smax,phantom/σair；SNRmean=Smean,phantom/σair，ACR标准：基准值（Sx为信号值；σair为背景区域信号标准差）。

图4 线圈SNR测试结果示意图Fig.4 Coil SNR test results diagram

（4）磁场中心频率

代表MRI-Sim设备的共振频率，具有随时间不断衰减的变化趋势；主要受主磁场均匀性、周围环境温度等因素影响。ACR标准：周变化值≤1.5 ppm。

（5）射频发射增益

用于描述将宏观磁化矢量偏转至90°所需功率[5]，其单位为分贝（dB）；较小的dB改变代表较大的增益变化。ACR标准：增益变化≤10%。

（6）液氦检查

液位不低于60%；压力处于0.9～1.1 psi之间。

图像质量检查主要包括：几何畸变、空间分辨率、层厚、层位置、图像均匀性、百分信号伪影和低对比度分辨率检测。

采用特定的扫描协议（如图5所示）对ACR模体（190 mm×190 mm×148 mm圆柱体；内含10 mM NiCl2和75 mM NaCl）进行扫描分析。在质控过程中ACR模体内部测量部件上有可能会有气泡附着，为减少其对测量结果的影响尽量将气泡去除或将液体注满。

图5 扫描协议Fig.5 Scanning protocol

将ACR模体安全放置于头部相控阵线圈内，利用配备的水平仪调节水平；将MRI-Sim内置激光灯定位线对准模体“NOSE”处刻度线；床位置清零，进床至磁场中心处。获取矢状定位像，设定轴向扫描层数为11层，扫描层1定位至模体下面45o楔形角的夹角处；扫描层11定位至模体上面45o楔形角的夹角处，如图6所示。

图6 ACR模体及矢状定位图Fig.6 ACR phantom and sagittal location map

（1）几何畸变

为降低窗宽（WW）、窗位（WL）对测量精度的影响： 设定WW=0，调节WL至只有液体部分呈白色，此时WL=a；调节WL至一半液体呈白色，此时WL=b；设定WW=b，WL=a/2后测量。分别选择矢状定位图像及第1、5层轴位T1WI图像，采用软件自带测量工具对各要求距离进行测量分析（基准值分别为：头脚方向为148 mm；模体直径为190 mm），如图7所示。ACR标准要求为所有测量值与实际值偏差的绝对值≤2.0 mm。

图7 几何畸变测量结果示意图Fig.7 Geometric distortion measurement results diagram

（2）高对比度分辨率

选取T1WI的第 1层轴位图像，其中包含3组目标物（直径分别为1.1 mm、1.0 mm、0.9 mm），每组目标物均有左上、右下两部分构成；将图像放大2～4倍，调整合适的WW及WL。测量标准：2个方向分辨率均达到1.0 mm或更高，如图8所示。

图8 高对比度分辨率测量结果示意图Fig.8 High contrast resolution measurement results diagram

（3）层厚

分别选取T1WI 、T2WI 序列的第 1层轴位图像，并放大2～4倍；设定WW为0，WL为插件处两个矩形信号平均值之和的一半；测量两个倾斜方向相反的斜坡插件的长度（top、bottom），如图9所示；按照以下公式进行计算：层厚= 0.2 ×(top × bottom)/(top + bottom)。测量标准： 5.0 mm±0.7 mm。

图9 层厚测量示意图Fig.9 Slice thickness measurement diagram

（4）层位置

分别选取T1WI 、T2WI 的第 1、11层轴位图像，将图像放大2～4倍；设定WW=0，调整WL使液体信号变亮，然后设定WL为其信号值的1/2；利用机器自带的测量工具量取两条形块的长度偏差。测量标准：|条形块长度偏差| ≤5 mm。

图10 层位置测量示意图Fig.10 Slice position measurement diagram

（5）图像均匀性

分别选取T1WI 、T2WI 的第7层轴位图像，设定WW=0，调节WL找出信号最低区域（low）和最高区域（high），读取平均像素值，如图11所示。按照以下公式计算PIU （percent integral uniformity）：PIU= 100×[1– (high – low)/(high + low) ]；测量标准：PIU≥87.5%（＜3 T）；PIU≥82%（≥3 T）。

图11 图像均匀性检测示意图Fig.11 Image uniformity measurement

（6）百分信号伪影（Percent-signal ghosting）

在ACR模体T1WI 的第 7层轴位图像上的中央区域选取一面积较大ROI（195～205 cm2），分别四周各选取一面积较小的ROI（10cm2）：上（top）、下（btm）、左（left）、右（right），分别读取平均像素值，图12所示。采用以下公式：GR（Ghosting Ratio）=|[(top+btm)–(left+right)]/[2×(large ROI)] |，进行计算。测量标准：GR≤2.5%。

图12 百分信号伪影测量示意图Fig.12 Percent-signal ghosting measurement diagram

（7）低对比度分辨率

T1WI、T2WI的第 8～11层轴位图像上目标物低对比度分别为1.4%、2.5%、3.6%、5.1%；每层图像上10组目标物呈轮辐状排列，直径从7.0mm逐渐减小至1.5 mm，统计每层可清晰可见的轮辐数（如图13所示），并相加。测量标准：总计数≥9（＜3T）；总计数≥37（≥3 T）。

图13 低对比度分辨率测量结果示意图Fig.13 Low contrast resolution measurement results diagram

2 结果

以ACR模体T1WI序列图像为参考，对上述图像质量各指标检测结果分别进行分析，结果如表1、表2所示。

表1 几何畸变测量结果（≤2.0 mm）Tab.1 Geometric distortion measurement results

表2 图像质量指标检测结果Tab.2 Image quality indicator test results

3 讨论

MRI图像软组织分辨率更高，组织器官结构边界显示更加清晰，能够实现肿瘤靶区的精准定位[9]；同时可以准确区分肿瘤活性组织及水肿组织，为分次放疗及疗效评估提供更安全、准确的信息；采用MRISim所得图像进行放疗定位的患者，能够实现在充分保护危及器官的前提下进一步提高靶区放疗剂量[10]；MRI-Sim扫描无X射线辐射[11]，还可实现定量或半定量分析的功能或代谢成像[12-13]，为广大肿瘤患者开展精确放射治疗提供更多便利。

目前为止，主要针对MRI-Sim的配套验收方案还无正式出版报告[14]，AAPM对于MRI-Sim在放疗临床应用、优化及质量控制的TG 284号报告仍在酝酿之中，目前主要依据MRI及CT-Sim相关参考文献进行质量控制。与其他影像设备相比MRI设备扫描参数众多，对所得图像质量产生至关重要的作用[15]。因此，MRISim设备质量保证与质量控制工作对获得临床最佳诊断及放疗模拟定位影像的起着关键性作用。AAPM第1号[16]与第6号[17]报告分别对常规MRI设备的质量保证与验收测试进行阐述。AAPM后续报告及美国电气制造商协会（National Electrical Manufactures Association，NEMA）对检测内容及方法进行了详述及更新。ACR发布的《磁共振QC手册》对MRI设备认证所要求的质量控制流程和技术规范[3-5]进行具体阐述。

磁体是MRI-Sim设备的核心部件之一，稳定均匀性的主磁场是获得优质MRI-Sim图像的前提，而其均匀性往往会受到外部因素影响，从而导致图像信噪比下降。中心频率与磁场强度呈正比，因此中心频率的变化间接反映主磁场强度的变化，从而对磁场均匀性进行一定评估。在预扫描过程中，MRISim系统首先测定中心频率，进而调整射频发射器的发射增益。在MRI-Sim设备运行良好情况下，针对同一线圈和模体，其发射增益值应为一相对稳定的常数；一旦出现异常将会导致图像伪影出现、信噪比下降等问题[18]。快速回波及EPI等快速成像序列，对发射增益的稳定性要求更严格[19]。MRI-Sim所得图像的高对比分辨率会随着梯度场强度、梯度放大器的稳定性、涡流补偿和（或）主磁场均匀性是否校准而发生一定程度的变化[20]；低对比度分辨率则与所得图像的信噪比紧密相关[21]。

SNR是指图像的信号强度与背景随机噪声强度之比[5]，测量方式主要有AAPM及ACR标准的l幅图像测量法及NEMA标准的2幅图像测量法。AAPM标准所定义的噪声通常包含结构性噪声及随机热噪声，进而造成噪声值估计偏大，导致所测SNR偏小；ACR标准则忽略了随机噪声的影响，对噪声的估算偏小，造成SNR测量结果偏大；NEMA方法的优势是消除了结构性噪声的影响。对噪声的估算差异，致使SNR值也不相同，目前国、内外MRI设备大都采用ACR标准[22]。主磁场均匀性差、梯度场线性度不好等原因引起MRI图像几何畸变。

扫描床定位精度主要评估激光和床定位系统沿磁体长轴定位的准确性，采用矢状定位序列进行测量，在扫描图像中定位网格结构上边缘放置测量点，通常参考AAPM TG66号报告中关于CT-Sim验收标准开展[7]。为实现放疗患者体位固定装置的合理摆放，在放疗领域MRI-Sim通常采用大孔径设计[23]，因其自身特殊的成像原理，势必造成一定程度的图像失真进而导致图像空间位置准确性下降，从而对MRI-Sim图像在放疗计划设计中的广泛应用产生一定影响。图像失真通常分为与系统相关的失真及扫描对象的感应失真[24]，放疗过程中对MRI-Sim图像的几何精度要求在三维方向上控制在2 mm以内[25]。可采用特定的模体，用以满足放疗模拟定位对大视野图像精度的要求[26]。文献报道[27]通过设计直径大于40 cm并且带有内置标记点的模体以测量图像几何失真度，在三维方向距离中心越远，失真度就越大[28]。

ACR推荐MRI设备的各项性能指标处置界限是针对该设备的最低要求。为充分发挥高端MRI-Sim设备的最大潜力，必须设定更为苛刻的处置界限标准。对于MRI-Sim设备临床质控工作首先需为每台机器建立针对特定模体、序列参数的特异性处置界限；在重要部件完成维修或更换后，重新设定相关指标处置界限[29]，从而保证MRI-Sim设备充分发挥最优性能。

通过对MRI-Sim设备的验收测试及图像质量检测，创建MRI-Sim设备特定的运行基线；并且通过制定长效的质量控制程序，能够有效确保设备良好运行，不断为肿瘤患者实施精确放疗提供有效支持。

衷心感谢：GE(中国)医疗的大力支持！