두개골 교정에 사용되는 MR과 CT 영상의 비교

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 13407(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

InSightec Exablate 시스템을 사용한 경두개 집중 초음파는 운동 및 기분 장애 치료를 위해 열 절제를 사용하고 종양 치료를 위해 혈액 뇌 장벽 파괴를 사용합니다. 시스템은 컴퓨터 단층촬영(CT) 이미지를 사용하여 인간의 두개골로 인해 발생한 수차를 설명하는 위상 보정을 계산합니다. 이 연구에서는 위상 보정을 계산하기 위해 자기공명(MR) 영상을 CT 영상 대신 사용할 수 있는지 여부를 조사합니다. 위상 보정은 최적 표준 수중 청음기 방법과 치료 표준 InSightec 광선 추적 방법을 사용하여 계산되었습니다. MR 바이너리 이미지 마스크, MR-simulated-CT(MRsimCT) 및 3개의 생체 외 인간 두개골의 CT 이미지가 InSightec 광선 추적 방법에 대한 입력으로 제공되었습니다. 탈기된 생체 외 인간 두개골을 670kHz 반구형 위상 배열 변환기(InSightec Exablate 4000)를 사용하여 초음파 처리했습니다. 빔 프로파일의 3D 래스터 스캔은 3축 포지셔너 시스템에 장착된 수중청음기를 사용하여 획득되었습니다. 초점은 대상의 압력, 최대 압력, 대상의 강도, 최대 강도, 위치 지정 오류 및 초점 볼륨의 6가지 측정항목을 사용하여 평가되었습니다. 기하학적 초점의 타겟과 기하학적 초점의 측면 5mm를 조사했습니다. 위상 수차 보정을 위해 MRsimCT 또는 CT를 사용하는 두 대상의 측정 항목 간에는 통계적 차이가 없었습니다. MRsimCT와 달리 수차 보정을 위해 CT 영상을 사용하려면 치료일 MR 영상에 등록해야 합니다. 3차원에 따른 회전 오류 ±2도 범위 내의 CT 잘못된 등록은 초점 강도를 최대 9.4%까지 감소시키는 것으로 나타났습니다. 두개골의 위상차 보정에 사용되는 MRsimCT 이미지는 CT 기반 보정과 유사한 결과를 생성하는 동시에 CT에서 MR 등록 오류와 불필요한 환자의 이온화 방사선 노출을 방지합니다.

경두개 집중 초음파(FUS)는 개방형 뇌 수술, 뇌 회로를 조사하기 위한 신경 조절5,6,7 및 혈액 뇌 장벽 개방의 대안으로 열 절제1,2,3,4를 인체에 적용할 수 있는 절개 없는 치료 방식입니다8 ,9,10,11 뇌로의 표적 약물 전달을 개선합니다. 이러한 응용 분야에서 초음파는 온전한 두개골을 통해 전달되고 뇌 조직 깊숙이 집중되어 열적 또는 생체 역학적 효과를 유도합니다. 이러한 효과는 치료 중 사용된 매개변수에 따라 일시적이거나 비가역적일 수 있습니다.

두개골이 초음파 빔의 초점을 흐리게 하고 초점이 표적에서 멀어지기 때문에 온전한 두개골을 통해 초음파의 초점을 맞추는 것은 어렵습니다. 두개골의 영향을 교정하는 것은 환자 내부와 환자 간 두개골의 이질성(종종 두께, 모양, 크기 및 뼈 구성이 다양함)으로 인해 매우 복잡합니다. 두개골 간의 차이로 인해 환자 전체에 걸쳐 광범위한 경두개 초음파 효율성이 발생하므로 동일한 전력을 적용하면 초점에서 온도 상승이 4배 범위로 이어질 수 있습니다12.

초점을 다시 맞추기 위해 두개골의 수차 효과를 설명하는 많은 방법이 제안되었습니다. 이러한 방법에는 광선 추적13,14,15, 유한 차분 시간 영역(FDTD)14,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26, 의사 스펙트럼 시간 영역(PSTD)27이 포함됩니다. ,28,29,30,31 및 하이브리드 각도 스펙트럼(HAS)12,32,33,34,35,36,37. 이러한 방법은 이론과 구현이 다르지만 한 가지 유사점이 있습니다. 즉, 수차 효과를 추정하고 수정하기 위해 두개골을 계산적으로 모델링해야 한다는 것입니다. 임상 절제 치료의 경우 컴퓨터 단층촬영(CT) 이미지를 사용하여 이러한 컴퓨터 두개골 모델을 만듭니다. 그러나 CT를 사용하면 몇 가지 단점이 있습니다. 첫째, 수술 전 CT 영상을 수술 중 자기공명영상(MR)에 등록해야 하므로 등록 오류가 발생할 수 있습니다. 등록 오류로 인해 위상 수정이 손상되고 빔포밍 성능이 저하될 수 있습니다. 둘째, CT는 환자를 전리 방사선에 노출시키는데, 이는 예를 들어 소아 집단에서는 바람직하지 않습니다. 또한 자원봉사자가 해당 기술을 인간이 사용할 수 있도록 전환하는 데 필요한 실험에 참여하지 못하게 될 수 있으므로 신경조절과 함께 사용하는 것도 바람직하지 않습니다. 셋째, CT 이미지를 사용하면 치료 워크플로우 오버헤드가 증가하여 모든 수술 전 이미지를 획득하기 위해 별도의 이미징 세션이 필요합니다.