MR空间精度测试体模与图像校正方法

王学民，邝丽娜，赵立涛，冯远明*

(1.天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072；2.天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室，天津 300072)

MR在软组织成像上的优势显著，可明确诊断多数人体病变。MRI作为制定放疗计划的重要依据，对成像设备的空间精度和准确性提出了更高要求，目前多采用体模对MR设备进行质量监控和校准。常见的已定型体模虽然整体性能全面，却难以满足临床个性化需求。在空间精度监控方面，美国放射学会(American College of Radiology, ACR)体模通过测量常规序列下的形态差异来检测畸变[1]；Magphan SMR170体模通过将标准2D测试板改装为10 cm的测试立方体来测量畸变情况[2-4]；设备随机配备体模则旨在检测指标正常与否。此外，Wang等[5-7]采用自制体模探讨MRI用于立体定向放射计划的可行性；Torfeh等[8-10]提出检测几何畸变的新思路。上述研究在一定程度上为实现多层面、多方位几何畸变的临床质检提供了方法，但在空间精度和定量检测设备空间几何畸变方面仍有待改善。本研究旨在依照MR质量控制标准，设计能够满足高度个性化需求、定量化、高精度保障的MR空间精度测试体模与图像校正方法，以确保MR设备正常运行，为临床精准医疗提供有效的辅助依据。

1 设计与方法

1.1体模设计 为提高测试体模的普适性、准确性，忽略试验体模与人体真实结构不同而导致的差异，设计体模如下。

1.1.1材料及规格 体模为仿真人体静态结构，材质为聚甲基丙烯酸甲酯(polymenthyl methacrylate, PMMA)；各组件连接后的整体横向最大外径为240 mm，以适应多数MR设备最大闭合线圈。

1.1.2加工处理 采取以下措施以保障体模精度：①选用适宜加工设备，依照体模设计图，在精密作业时形成“精度反馈调节机制”，严控加工精度；②对加工设备进行日常质检，合理控制环境温度；③加工精度为0.1 mm，剔除经检验不合格的PMMA。由于试验时温度范围处于PMMA线胀系数变化的恒稳区，可忽略试验过程中因环境温度变化引起的线胀现象对测试体模精度的影响。

1.1.3空间精度测试组件的设计与装配 测试组件的顶、底层为镜像设计，见图1。分别于相应平面沿互相垂直的3个坐标轴(x、y、z)方向开槽，槽直径为5 mm，槽间距dx=dy=dz=20 mm；中间层、顶/底层厚度分别为h1=20 mm、h2=10 mm，各层限位孔直径为12 mm，其中心距边缘h3=h4=20 mm，最外侧圆槽距边缘h5=h6=10 mm。装配时将限位棒置于限位孔，以确保平面精度；采用进动装置平行推进层间堆叠，实时测量装配过程中已堆叠零件的总体厚度，以避免在垂直于平面的维度积累误差。为便于检测空间几何畸变情况，将控制点区域(装配后体模内互相垂直的x、y、z坐标轴方向上圆槽的交汇处)作为本试验的研究对象，该组件在平面、空间上分别构成平方网格(8×8)及立方(8×8×8)控制点模型。

1.1.4固定外壳 固定外壳由直径240 mm、高160 mm的中空圆柱体及水平调节机构组成。将上述测试组件嵌入中空圆柱体，方便置于射频线圈；水平调节机构包含水平校准水泡和支撑部件，使用者通过观察校准水泡的状态调整支撑部件，即可校验测试组件的空间位置。

1.1.5配液 在组合而成的连通区域注入可模拟生物组织电导特性、可产生不同T1和T2特性参数的顺磁性溶液，以便后期成像。选取无水硫酸铜+水溶液作为显影材料。

图1 空间精度测试组件 A.设计图； B.实物图 图2 MRI处理流程图

1.1.6体模连接 在测试组件中充盈配液，与固定外壳配合而成空间精度测试体模，将其放入成像用检测线圈；采集前使体模中心与主磁场中心重合，调整体模至水平位，以保障空间精度的有效性；排除体模内气体，以防止对图像产生干扰。以上设置检查无误后方可进行试验。

1.2仪器与图像采集 采用GE Signa Infinity ExciteⅡ 1.5T MR扫描仪，每次试验重复3次，间隔24 h，以验证体模的可重复性。为确保检测MR空间几何畸变的有效性，MRI采集包含体模准确性校验和MR设备畸变性检测：前者通过对比分析ACR与自制体模在SE不同TR、TE参数，矩阵256×256，FOV 250 mm×250 mm，层厚5 mm，间隔5 mm设置下的几何畸变率，来验证自制体模的可靠性及准确性；后者旨在定量分析设备在不同空间位置的畸变情况。鉴于不同扫描设置下设备畸变情况各异，下文以轴位、矢状位及冠状位T2WI，TR 2 940 ms，TE 107 ms，FOV 150 mm×150 mm，层厚20 mm，间隔20 mm设置下的畸变情况为例进行阐述。

1.3体模准确性校验方法 对自制、ACR体模的MR图像进行图像增强、几何形态参数提取，计算其与标定值的差异，分析二者几何畸变率的一致性。

1.4几何畸变检测与校正方法 在上述基础上，对检测试验自制体模所获取的MRI进行后处理，见图2，定量检测、校正MR设备的空间畸变情况，以进一步提高MRI精度。

1.4.1预处理 首先对MRI进行平滑处理，以消除测试组件层间装配对试验精度的影响。而后采用灰度变换与形态学高低帽变换联合增强算法，以增强控制点区域。试验材料在成像时的灰阶变化范围较小[11]，通过调整式(1)中γ值可调整MRI灰度，根据后者分布特征及多次试验验证，取c=1、γ=2可更好地压缩低灰度级增强高灰度级，控制点区域输出效果最佳。高帽变换可从背景中有效分离控制点区域，低帽变换能凸显非控制点区域，二者结合可更好地满足试验需求。对上述图像进行归一化。

s=crγ

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1.5统计学分析 采用SPSS 23.0统计分析软件。以组内相关系数(interclass correlation coefficient, ICC)分析准确性校验试验中ACR与自制体模在不同扫描参数下几何畸变率的一致性，ICC>0.75为一致性良好，ICC 为0.50～≤0.75为一致性一般，ICC<0.50为一致性差。采用配对t检验分别比较校正前试验控制点位置与已标定控制点位置、校正后试验控制点位置与已标定控制点位置的差异，分析畸变性检测试验中MR设备几何畸变情况及校正方法的有效性。P<0.05为差异有统计学意义。

表1 校正前后各方向的失真参数

注：r：试验控制点与相应已标定控制点的空间距离

2 结果

相同试验条件下，自制体模与ACR体模的几何畸变率一致性好(ICC>0.96)。采用预处理、特征提取方法处理后的MRI既能有效显示特征区域，亦可有效剔除伪特征区域，效果见图3。经配准后，试验、已标定控制点位置可直观显示，见图4。

校正前试验控制点位置与已标定控制点位置差异有统计学意义(P<0.05)，将体模置于MR设备成像时， MR图像存在一定程度的几何畸变现象。观察沿z轴δx、δy、δz、δr在体模立方空间的最大失真情况，绘制失真曲线见图5A，发现磁场中心综合几何失真最不明显，在匀场性较好的区域，同方向失真无明显差异；越偏离中心，失真情况越明显，且各方向的失真趋势呈现一定的规律性。在体模涵盖的空间范围，校正前、后各方向的失真参数见表1，绘制δr失真图见图5B、5C。校正后试验控制点位置与已标定控制点位置差异无统计学意义(P>0.05)。

3 讨论

准确性校验试验中，ACR与自制体模的总体几何畸变率一致性好，但几何畸变率不完全相同，原因可能是二者涵盖的空间范围不同，导致几何畸变率略有差异。MR设备的几何畸变在MR图像中的具体表征为控制点形态不一致，原因可能为主磁场不均匀及梯度场非线性，快速切换的梯度磁场会产生涡流，而涡流的存在亦会影响梯度磁场的线性度。

图3 MRI采集、处理效果图 A.MRI采集效果图； B.增强和伪特征区域剔除效果图 图4 试验、已标定控制点位置对比图 图5 体模失真情况 A.沿z轴各方向的失真曲线； B.校正前δr失真图； C.校正后δr失真图

本研究设计的MR空间精度测试体模与图像校正方法能够满足临床MR设备质量监控需求，定量化检测与校正MR设备空间几何畸变，为放疗计划提供个性化高精度保障，为临床疾病精准诊断提供有效辅助依据。为实现“模拟人”，提高MR体模的普适性和实用性，后续拟在此研究基础上增加动态测试模块，进一步定量观察MR设备在不同扫描设置下对动态流体的影响，以制定综合质量监控方案，更好地满足临床MR设备高精度、多参数的质检需求。