Multimodal Deformable Image Registration for Long-COVID Analysis Based on Progressive Alignment and Multi-perspective Loss

要約

長期にわたる新型コロナウイルス感染症は、持続的な症状、特に肺機能障害を特徴とし、正確な診断には高度な画像処理が必要です。
過分極キセノン 129 MRI (XeMRI) は、肺換気、灌流、ガス移動を視覚化することで有望な手段を提供します。
XeMRI からの機能データとコンピューター断層撮影 (CT) からの構造データを統合することは、長期にわたる新型コロナウイルス感染症における包括的な分析と効果的な治療戦略にとって極めて重要であり、これらの補完的な画像診断モダリティからの正確なデータ調整が必要です。
CT と Xe-MRI の直接の調整によってもたらされる重大な課題を考慮すると、CT-MRI の登録は、この目的のために不可欠な中間ステップです。
したがって、我々は、長時間のCOVID肺CTと陽子密度MRI（pMRI）データを位置合わせするための優れたパフォーマンスを達成する、エンドツーエンドのマルチモーダル変形可能な画像登録方法を提案しました。
さらに、私たちの方法には新しいマルチパースペクティブロス（MPL）関数が組み込まれており、マルチモーダルタスクに適応できるようにすることで、モノモーダル登録のための最先端の深層学習方法を強化します。
レジストレーション結果は、Dice 係数スコア 0.913 を達成し、最先端のマルチモーダル画像レジストレーション技術に比べて大幅な改善が見られることを示しています。
XeMRI画像とpMRI画像は同じセッションで取得され、大まかに位置合わせできるため、私たちの結果はその後のXeMRIとCTの間の位置合わせを容易にし、それによって長期にわたる新型コロナウイルス管理における臨床上の意思決定を強化する可能性があります。

要約(オリジナル)

Long COVID is characterized by persistent symptoms, particularly pulmonary impairment, which necessitates advanced imaging for accurate diagnosis. Hyperpolarised Xenon-129 MRI (XeMRI) offers a promising avenue by visualising lung ventilation, perfusion, as well as gas transfer. Integrating functional data from XeMRI with structural data from Computed Tomography (CT) is crucial for comprehensive analysis and effective treatment strategies in long COVID, requiring precise data alignment from those complementary imaging modalities. To this end, CT-MRI registration is an essential intermediate step, given the significant challenges posed by the direct alignment of CT and Xe-MRI. Therefore, we proposed an end-to-end multimodal deformable image registration method that achieves superior performance for aligning long-COVID lung CT and proton density MRI (pMRI) data. Moreover, our method incorporates a novel Multi-perspective Loss (MPL) function, enhancing state-of-the-art deep learning methods for monomodal registration by making them adaptable for multimodal tasks. The registration results achieve a Dice coefficient score of 0.913, indicating a substantial improvement over the state-of-the-art multimodal image registration techniques. Since the XeMRI and pMRI images are acquired in the same sessions and can be roughly aligned, our results facilitate subsequent registration between XeMRI and CT, thereby potentially enhancing clinical decision-making for long COVID management.

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