Evaluation of Synthetically Generated CT for use in Transcranial Focused Ultrasound Procedures

要約

経頭蓋集束超音波 (tFUS) は、非侵襲的に、多くの場合 MRI ガイドの下で、頭蓋骨を通して音を小さな領域に集束させる超音波治療法です。
CT イメージングを使用して、個々の頭蓋骨によって異なる音響特性を推定し、tFUS 処置中に効果的な焦点合わせを可能にし、患者を潜在的に有害な放射線にさらします。
CTを必要とせずに頭蓋骨の音響パラメータを推定する方法が望ましいでしょう。
ここでは、3Dパッチベースの条件付き敵対的生成ネットワーク（cGAN）を使用して、日常的に取得されたT1強調MRIからCT画像を合成し、tFUSによる治療計画のための合成CT（sCT）画像のパフォーマンスを評価しました。
Kranion を使用した tFUS 計画と、音響ツールボックス k-Wave を使用したシミュレーションについて、sCT の性能を実際の CT (rCT) 画像と比較しました。
シミュレーションは、3 つの tFUS シナリオで実行されました: 1) 収差補正なし、2) Kranion から計算された位相による補正、および 3) 時間反転から計算された位相シフト。
クラニオンから、rCT と sCT の間の頭蓋骨密度比、頭蓋骨の厚さ、およびアクティブな要素の数には、それぞれ 0.94、0.92、および 0.98 のピアソンの相関係数がありました。
20 のターゲットの中で、rCT と sCT の間のシミュレートされたピーク圧の差は、位相補正なしで最大 (12.4$\pm$8.1%) であり、Kranion 位相で最小 (7.3$\pm$6.0%) でした。
rCT と sCT の間のピーク焦点位置間の距離は、すべてのシミュレーション ケースで 1.3 mm 未満でした。
実際に生成された頭蓋骨と人工的に生成された頭蓋骨は、画像の類似性、頭蓋骨の測定値、および音響シミュレーションの指標が同等でした。
私たちの仕事は、tFUS計画のために実際のCTをMR合成CTに置き換えることの実現可能性を示しています。
トレーニング済みモデルのソース コードと Docker イメージは、https://github.com/han-liu/SyncT_TcMRgFUS で入手できます。

要約(オリジナル)

Transcranial focused ultrasound (tFUS) is a therapeutic ultrasound method that focuses sound through the skull to a small region noninvasively and often under MRI guidance. CT imaging is used to estimate the acoustic properties that vary between individual skulls to enable effective focusing during tFUS procedures, exposing patients to potentially harmful radiation. A method to estimate acoustic parameters in the skull without the need for CT would be desirable. Here, we synthesized CT images from routinely acquired T1-weighted MRI by using a 3D patch-based conditional generative adversarial network (cGAN) and evaluated the performance of synthesized CT (sCT) images for treatment planning with tFUS. We compared the performance of sCT to real CT (rCT) images for tFUS planning using Kranion and simulations using the acoustic toolbox, k-Wave. Simulations were performed for 3 tFUS scenarios: 1) no aberration correction, 2) correction with phases calculated from Kranion, and 3) phase shifts calculated from time-reversal. From Kranion, skull density ratio, skull thickness, and number of active elements between rCT and sCT had Pearson’s Correlation Coefficients of 0.94, 0.92, and 0.98, respectively. Among 20 targets, differences in simulated peak pressure between rCT and sCT were largest without phase correction (12.4$\pm$8.1%) and smallest with Kranion phases (7.3$\pm$6.0%). The distance between peak focal locations between rCT and sCT was less than 1.3 mm for all simulation cases. Real and synthetically generated skulls had comparable image similarity, skull measurements, and acoustic simulation metrics. Our work demonstrates the feasibility of replacing real CTs with the MR-synthesized CT for tFUS planning. Source code and a docker image with the trained model are available at https://github.com/han-liu/SynCT_TcMRgFUS

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