Aspects of MR image distortions in radiotherapy treatment planning

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Abstract

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 f?r die Planung der Radiotherapie zu definieren. Die
Genauigkeit der Zielvolumendefinition ist abh?ngig von der r?umlichen
Genauigkeit der CT- und MRT-Daten und von der Technik der Datenregistrierung.
CT-Bilder werden ?blicherweise als geometrisch korrekt angesehen,
w?hrend bei MR-Bildern geometrische Verzeichnungen bekannt sind.
Die Zielsetzung dieser Arbeit liegt darin, die m?gliche Bedeutung
von Verzeichnungen der MRT f?r 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 ?berblick ?ber die Korrekturm?glichkeiten f?r derartige
Verzeichnungen wird gegeben, wobei insbesondere die Grenzen dieser
Korrekturm?glichkeiten dargestellt werden. Die Sensitivit?t der Techniken
f?r die Bildregistrierung im Hinblick auf vorhandene geometrische
Verzeichnungen der MR-Daten wird diskutiert. Schlie?lich erfolgt
ein ?berblick ?ber die heute verf?gbaren Techniken der Bildregistrierung
und der Ergebnisse, die erzielt werden, wenn derartige Techniken
f?r die klinische Radiotherapieplanung angewendet werden. Ergebnisse:
R?umliche Verzeichnungen von MR-Bildern variieren mit der Feldst?rke
und dem Akquisitionsprotokoll f?r die Bilderstellung. ?blicherweise
nimmt die r?umliche Genauigkeit mit der Entfernung vom Isozentrum
des Magneten ab. Techniken zur Korrektur der Verzeichnungen, die
auf Phantommessungen beruhen, k?nnen die im Patienten entstehenden
Verzeichnungen nicht ad?quat ber?cksichtigen. Schlussfolgerung: Zur
Reduktion der r?umlichen Verzeichnungen bei MR-Bildern sollten Protokolle
zur Bilderstellung benutzt werden, die ?ber eine gro?e Bandbreite
der Gradienten verf?gen. Bei Magneten niedriger Feldst?rke sind Korrekturprogramme
ausreichend, die auf Phantommessungen beruhen, w?hrend bei h?heren
Feldst?rken zus?tzliche Korrekturen notwendig sein d?rften, die im
Patienten entstehende Verzeichnungen mit ber?cksichtigen. Techniken
der Bildregistrierung, die sich auf das "Matchen" von Referenzpunkten
beziehen, die weit vom Isozentrum des Magneten entfernt sind, sind
besonders anf?llig f?r MR-Verzeichnungen.

Author-supplied keywords

  • Geometric distortion
  • Image registration
  • Magnetic resonance imaging
  • Radiotherapy treatment planning

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Authors

  • Annette Fransson

  • Pedro Andreo

  • Richard Pötter

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