Aspects of MR Image Distortions in Radiotherapy Treatment Planning

Background:

Registration of computed tomography (CT) and magnetic resonance (MR) images are commonly performed to define the different target regions used in radiotherapy treatment planning (RTTP). The accuracy of target definition will then depend on the psatial accuracy of the CT and MR data, and on the technique used to register the images. CT images are usually regarded as geometrically correct, while MR images are known to suffer from geometric distortion. The aim of this paper is to discuss the possible impact of MR image distortions in the radiotherapy treatment planning process.

Methods: The origin, magnitude, and relative impact of the different sources of geometric distortions that affect the MR image data at different magnetic fields and for different acquisition settings are described. Techniques for distortion correction are reviewed, and their limitations are outlined. The sensitivity of image registration techniques to the presence of geometric distortions in the MR data is discussed. Finally, an overview of image registration techniques used and results obtained in clinical radiotherapy treatment planning applications is given.

Results: Spatial distortions in MR images vary with field strength and with the image acquisition protocol. The spatial accuracy generally decreases with distance from the magnet isocenter. Distortion correction techniques based on phantom evaluations cannot adequately model patient-induced distortions.

Conclusion: Image protocols with high gradient bandwidths should be used to reduce the spatial distortions in MR images. Correction techniques based only on phantom measurements could be sufficient at low magnetic fields, while at higher fields additional corrections of patient-related distortions might be needed. Registration techniques based on matching of landmark points located far from the magnet isocenter are especially prone to MR distortions.

Hintergrund:

Die Registrierung von CT- und MR-Bildern erfolgt, um die unterschiedlichen Zielgebiete für die Planung der Radiotherapie zu definieren. Die Genauigkeit der Zielvolumendefinition ist abhängig von der räumlichen Genauigkeit der CT- und MRT-Daten und von der Technik der Datenregistrierung. CT-Bilder werden üblicherweise als geometrisch korrekt angesehen, während bei MR-Bildern geometrische Verzeichnungen bekannt sind. Die Zielsetzung dieser Arbeit liegt darin, die mögliche Bedeutung von Verzeichnungen der MRT für die Planung der Radiotherapie zu diskutieren.

Methoden: Der Ursprung, der Umfang und die entsprechende Bedeutung der verschiedenen Quellen geometrischer Verzeichnungen werden beschrieben, die MR-Bilder bei unterschiedlichen Magnetfeldern und Akquisitionen beeinflussen. Ein Überblick über die Korrekturmöglichkeiten für derartige Verzeichnungen wird gegeben, wobei insbesondere die Grenzen dieser Korrekturmöglichkeiten dargestellt werden. Die Sensitivität der Techniken für die Bildregistrierung im Hinblick auf vorhandene geometrische Verzeichnungen der MR-Daten wird diskutiert. Schließlich erfolgt ein Überblick über die heute verfügbaren Techniken der Bildregistrierung und der Ergebnisse, die erzielt werden, wenn derartige Techniken für die klinische Radiotherapieplanung angewendet werden.

Ergebnisse: Räumliche Verzeichnungen von MR-Bildern variieren mit der Feldstärke und dem Akquisitionsprotokoll für die Bilderstellung. Üblicherweise nimmt die räumliche Genauigkeit mit der Entfernung vom Isozentrum des Magneten ab. Techniken zur Korrektur der Verzeichnungen, die auf Phantommessungen beruhen, können die im Patienten entstehenden Verzeichnungen nicht adäquat berücksichtigen.

Schlussfolgerung: Zur Reduktion der räumlichen Verzeichnungen bei MR-Bildern sollten Protokolle zur Bilderstellung benutzt werden, die über eine große Bandbreite der Gradienten verfügen. Bei Magneten niedriger Feldstärke sind Korrekturprogramme ausreichend, die auf Phantommessungen beruhen, während bei höheren Feldstärken zusätzliche Korrekturen notwendig sein dürften, die im Patienten entstehende Verzeichnungen mit berücksichtigen. Techniken der Bildregistrierung, die sich auf das “Matchen” von Referenzpunkten beziehen, die weit vom Isozentrum des Magneten entfernt sind, sind besonders anfällig für MR-Verzeichnungen.