頭蓋骨の矯正に使用されるMR画像とCT画像の比較

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13407 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

InSightec Exablate システムを使用した経頭蓋集束超音波は、運動障害や気分障害の治療に熱アブレーションを使用し、腫瘍治療に血液脳関門破壊を使用します。 このシステムは、コンピューター断層撮影 (CT) 画像を使用して、人間の頭蓋骨によって引き起こされる収差を考慮した位相補正を計算します。 この研究では、位相補正を計算するために CT 画像の代わりに磁気共鳴 (MR) 画像を使用できるかどうかを調査します。 位相補正は、ゴールドスタンダードのハイドロフォン法と標準治療の InSightec レイ トレーシング法を使用して計算されました。 MR バイナリ画像マスク、MR シミュレーション CT (MRsimCT)、および 3 つの生体外人間の頭蓋骨の CT 画像が、InSightec レイ トレーシング メソッドへの入力として供給されました。 脱気した生体外の人間の頭蓋骨を、670 kHz 半球フェーズド アレイ トランスデューサー (InSightec Exablate 4000) で超音波処理しました。 ビーム プロファイルの 3D ラスター スキャンは、3 軸ポジショナー システムに取り付けられたハイドロフォンを使用して取得されました。 焦点は、ターゲットでの圧力、ピーク圧力、ターゲットでの強度、ピーク強度、位置決め誤差、および焦点スポット体積の 6 つの指標を使用して評価されました。 幾何学的焦点および幾何学的焦点から 5 mm 側方にあるターゲットを調査しました。 位相収差補正に MRsimCT または CT を使用した場合、どちらのターゲットでもどのメトリクスにも統計的な差はありませんでした。 MRsimCT とは対照的に、収差補正に CT 画像を使用するには、治療日の MR 画像への登録が必要です。 3 次元に沿った回転誤差の ± 2 度の範囲内の CT の位置ずれは、焦点強度を最大 9.4% 減少させることが示されました。 頭蓋骨の位相収差補正に使用される MRsimCT 画像は、CT ベースの補正と同様の結果を生成し、CT から MR への位置合わせエラーと不必要な電離放射線への患者の被爆の両方を回避します。

経頭蓋集束超音波 (FUS) は、切開のない治療法であり、開脳手術の代替としての熱アブレーション 1,2,3,4、脳の回路を調べるための神経調節 5,6,7、および血液脳関門の開口 8 に応用できます。 、9、10、11 は、脳への標的薬物送達を改善します。 これらの用途では、超音波が無傷の頭蓋骨を通って送信され、脳組織の奥深くに集中して熱効果または生体力学的効果を誘発します。 これらの効果は、治療中に使用されるパラメータに応じて、一時的なものまたは不可逆的なものになります。

無傷の頭蓋骨を通して超音波を集束させることは、頭蓋骨によって超音波ビームの焦点がぼやけ、焦点がターゲットから離れてしまうため、困難です。 頭蓋骨の影響を補正することは、患者内および患者間での頭蓋骨の不均一性により非常に複雑であり、厚さ、形状、サイズ、骨の組成が異なることがよくあります。 頭蓋骨間の違いにより、患者間で経頭蓋超音波効率が広範囲に異なり、同じ出力でも焦点の温度上昇が 4 倍の範囲になる可能性があります 12。

焦点を再焦点合わせするために、頭蓋骨の収差効果を考慮する多くの方法が提案されている。 これらの方法には、レイ トレーシング 13、14、15、有限差分時間ドメイン (FDTD) 14、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、擬似スペクトル時間ドメイン (PSTD) 27 が含まれます。 、28、29、30、31、およびハイブリッド角度スペクトル (HAS)12、32、33、34、35、36、37。 これらの方法は理論と実装において異なりますが、類似点が 1 つあります。それは、頭蓋骨の異常な影響を推定および補正するために、計算によって頭蓋骨をモデル化する必要があるということです。 臨床アブレーション治療では、コンピュータ断層撮影 (CT) 画像を使用して、これらの計算頭蓋骨モデルが作成されます。 ただし、CT の使用にはいくつかの欠点があります。 まず、術前の CT 画像を術中の磁気共鳴 (MR) 画像に位置合わせする必要があるため、位置合わせエラーが発生する可能性があります。 位置合わせのエラーにより位相補正が損なわれ、ビームフォーミングのパフォーマンスの低下につながる可能性があります。 第二に、CT は患者を電離放射線に曝露させますが、これは、例えば小児集団にとっては望ましくないことです。 また、ボランティアがこの技術を人間に応用するために必要な実験に参加することを思いとどまる可能性があるため、神経調節と併用することも望ましくありません。 第三に、CT 画像を使用すると治療ワークフローのオーバーヘッドが増加し、すべての術前画像を取得するには個別の画像セッションが必要になります。