Компенсация аберраций при фокусировке ультразвука через череп на основе данных КТ и МРТ
- Авторы: Чупова Д.Д.1, Росницкий П.Б.1, Солонцов О.В.1, Гаврилов Л.Р.1, Синицын В.Е.1, Мершина Е.А.1, Сапожников О.А.1, Хохлова В.А.1
-
Учреждения:
- Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
- Выпуск: Том 70, № 2 (2024)
- Страницы: 193-205
- Раздел: ФИЗИЧЕСКАЯ АКУСТИКА
- URL: https://medjrf.com/0320-7919/article/view/648387
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0320791924020072
- EDN: https://elibrary.ru/YNJLZE
- ID: 648387
Цитировать
Аннотация
Проведено сравнение возможностей использования трехмерных акустических моделей головы человека, построенных на основе данных магнитно-резонансной томографии (МРТ) и компьютерной томографии (КТ) для расчета фокусировки ультразвукового пучка при прохождении через кости черепа и компенсации аберраций, вызванных их присутствием. Рассматривался набор КТ и МРТ данных одного пациента. По данным МРТ были восстановлены однородные по внутренней структуре сегменты головы человека (кожа, череп и мозг). Наиболее реалистичная модель КТ учитывала внутренние неоднородности костей черепа и мягких тканей. Расчеты поля и компенсация аберраций проводились на основе интеграла Рэлея и псевдоспектрального метода решения волнового уравнения в неоднородной среде, реализованного с помощью программного пакета k-Wave. В качестве излучателя рассматривалась фазированная решетка с частотой 1 МГц и абсолютно плотным заполнением поверхности 256 элементами, радиусом кривизны и апертурой 200 мм. Показано, что при компенсации аберраций на основе неоднородной модели КТ и однородной модели МРТ, амплитуда давления в фокусе и эффективность фокусировки отличались не более чем на 10%. Таким образом, однородная модель МРТ может быть использована для предоперационной оценки возможности проведения транскраниальной ультразвуковой терапии. При проведении операции учет внутренней структуры костей черепа по данным КТ предпочтителен.
Об авторах
Д. Д. Чупова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Автор, ответственный за переписку.
Email: daria.chupova@yandex.ru
Россия, Москва
П. Б. Росницкий
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Email: daria.chupova@yandex.ru
Россия, Москва
О. В. Солонцов
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Email: daria.chupova@yandex.ru
Россия, Москва
Л. Р. Гаврилов
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Email: daria.chupova@yandex.ru
Россия, Москва
В. Е. Синицын
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Email: daria.chupova@yandex.ru
Россия, Москва
Е. А. Мершина
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Email: daria.chupova@yandex.ru
Россия, Москва
О. А. Сапожников
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Email: daria.chupova@yandex.ru
Россия, Москва
В. А. Хохлова
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Email: daria.chupova@yandex.ru
Россия, Москва
Список литературы
- Qiu W., Bouakaz A., Konofagou E., Zheng H. Ultrasound for the brain: A review of physical and engineering principles, and clinical applications // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2020. V. 68. № 1. P. 6–20.
- O’Reilly A.M. Incisionless Brain Surgery: Overcoming the Skull with Focused Ultrasound // Acoustics Today. V. 19. № 3. P. 30–37.
- Elias W.J., Lipsman N., Ondo G. et al. A Randomized trial of focused ultrasound thalamotomy for essential tremor // N. Engl. J. Med. 2016. V. 375. № 8. P. 730–739.
- Гаврилов Л.Р. Фокусированный ультразвук высокой интенсивности в медицине. М.: Фазис, 2013.
- Hynynen K., Jones R.M. Image-guided ultrasound phased arrays are a disruptive technology for non-invasive therapy // Phys. Med. Biol. 2016. V. 61. P. 206–248.
- Schneider U., Pedroni E., Lomax A. The calibration of CT Hounsfield Units for radiotherapy treatment planning // Phys. Med. Biol. 1996. V. 41. P. 111–124.
- Mast T.D. Empirical relationships between acoustic parameters in human soft tissues // ARLO. 2000. V. 1. № 2. P. 37–42.
- D’Souza M., Chen K., Rosenberg J. et al. Impact of skull density ratio on efficacy and safety of magnetic resonance-guided focused ultrasound treatment of essential tremor // J. of Neurosurgery. 2019. V. 132. № 5. P. 1392–1397.
- Aubry J.F., Eames M., Snell J., Miller G.W. Ultrashort echo-time MRI as a substitute to CT for skull aberration correction in transcranial focused ultrasound: in vitro comparison on human calvaria // J. Ther. Ultrasound 3. 2015. (Suppl. 1). P12.
- Wiesinger F., Bylund M., Yang J. et al. Zero TE-based pseudo-CT image conversion in the head and its application in PET/MR attenuation correction and MR-guided radiation therapy planning // Magn. Reson. Med. 2018.V. 80. № 4. P. 1440–1451.
- Leung S.A., Moore D., Gilbo Y. et al. Comparison between MR and CT imaging used to correct for skull-induced phase aberrations during transcranial focused ultrasound // Scientific Rep. 2022. V. 12. № 1. P. 13407–12320.
- Johnson E.M., Vyas U., Ghanouni P., Pauly K.B., Pauly J.M. Improved cortical bone specificity in UTE MR Imaging // Magn Reson Med. 2017. V. 77. № 2. P. 684-695.
- Su P., Gou S., Roys S. et al. Transcranial MR Imaging-Guided Focused Ultrasound Interventions Using Deep Learning Synthesized CT // AJNR. 2020. V. 41. № 10. P. 1841–1848.
- Koh H., Park T.Y., Chung Y.A., Lee J.H., Kim H. Acoustic simulation for transcranial focused ultrasound using GAN-Based Synthetic CT // IEEE J. Biomed. and Health Inf. 2022. V. 26. № 1. P. 161–171.
- Wintermark M., Tustison N.J., Elias W.J. et al. T1-weighted MRI as a substitute to CT for refocusing planning in MR-guided focused ultrasound // Phys Med. Biol. 2014. V. 59. № 13. P. 3599–3614.
- Miscouridou M., Pineda-Pardo J.A., Stagg C.J., Treeby B.E., Stanziola A. Classical and learned MR to pseudo-CT mappings for accurate transcranial ultrasound simulation // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control. 2022. V. 69. № 10. P. 2896–2905.
- Rosnitskiy P.B., Vysokanov B.A., Gavrilov L.R., Sapozhnikov O.A., Khokhlova V.A. Method for designing multielement fully populated random phased arrays for ultrasound surgery applications // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2018. V. 65. № 4. P. 630–637.
- Rosnitskiy P.B., Yuldashev P.V., Sapozhnikov O.A., Gavrilov L.R., Khokhlova V.A. Simulation of nonlinear trans-skull focusing and formation of shocks in brain using a fully populated ultrasound array with aberration correction // J. Acoust. Soc. Am. 2019. V. 146. № 3. P 1786–1798.
- Duck F.A. Physical Properties of Tissue: A Comprehensive Reference Book. Academic Press, London, 1990.
- Pinter C., Lasso A., Fichtinger G. Polymorph segmentation representation for medical image computing // Comp. Methods and Progr. in Biomed. 2019. V. 171. P. 19–26.
- Fennema-Notestine C., Ozyurt B., Clark C.P. et al. Quantitative evaluation of automated skull-stripping methods applied to contemporary and legacy images: effects of diagnosis, bias correction, and slice location human brain mapping // The Morph. BIRN. 2006. V. 27. № 2. P. 99–113.
- Arnold J.B., Liow J.S., Schaper K.A. et al. Qualitative and quantitative evaluation of six algorithms for correcting intensity nonuniformity effects // NeuroImage. 2001. V. 5. № 13. P. 931–943.
- Tsai K.W., Chen J.C., Lai H.C., Chang W.C., Taira T., Chang J.W., Wei C.Y. The Distribution of skull score and skull density ratio in tremor patients for MR-guided focused ultrasound thalamotomy // Front. in neuroscience. 2021. V. 15. 612940.
- Otsu N. A threshold selection method from gray-level histograms // IEEE Trans. Syst. Man Cybernetics. 1979. V. 9. P. 62–66.
- Ильин С.А., Юлдашев П.В., Хохлова В.А., Гаврилов Л.Р., Росницкий П.Б., Сапожников О.А. Применение аналитического метода для оценки качества акустических полей при электронном перемещении фокуса многоэлементных терапевтических решеток // Акуст. журн. 2015. Т. 61. № 1. С. 57–64.
- Чупова Д.Д., Росницкий П.Б., Гаврилов Л.Р., Хохлова В.А. Компенсация искажений фокусированных ультразвуковых пучков при транскраниальном облучении головного мозга на различной глубине // Акуст. журн. 2022. Т. 68. № 1. С. 3–13.
- Treeby B.E., Cox B.T. Modeling power law absorption and dispersion in viscoelastic solids using a split-field and the fractional Laplacian // J. Acoust. Soc. Am. 2014. V. 136. № 4. P. 1499–1510.
- Treeby B.E., Jaros J., Rohrbach D., Cox B.T. Modelling elastic wave propagation using the k-Wave Matlab toolbox // IEEE International Ultrasonics Symposium. 2014. P. 146–149.
- Бобина А.С., Росницкий П.Б., Хохлова Т.Д., Юлдашев П.В., Хохлова В.А. Влияние неоднородностей брюшной стенки на фокусировку ультразвукового пучка при различных положениях излучателя // Изв. Рос. Акад. наук. Сер. физ. 2021. Т. 85. № 6. С. 875–882.
- Maimbourg G., Houdouin A., Deffieux T., Tanter M., Aubry J.-F. Steering capabilities of an acoustic lens for transcranial therapy: Numerical and experimental studies // IEEE Trans. Biomed. Eng. 2020. V. 67. P. 27–37.
- Wu N., Shen G., Qu X., Wu H., Qiao S., Wang E., Chen Y., Wang H. An efficient and accurate parallel hybrid acoustic signal correction method for transcranial ultrasound // Phys Med Biol. 2020. V. 65. № 21. P. 215019.
- Maimbourg G., Guilbert J., Bancel T., Houdouin A., Raybaud G., Tanter M., Aubry J.-F. Computationally effective transcranial ultrasonic focusing: taking advantage of the high correlation length of the human skull // IEEE Trans. Ultrason. Ferroelect. Freq. Contr. 2020. V. 67. № 10. P. 1993–2002.
- Jin C., Moore D., Snell J., Paeng D.-G. An open-source phase correction toolkit for transcranial focused ultrasound // BMC Biomed Eng. 2020. V. 2. P. 9.
- Ebbini E.S., Cain C.A., A Spherical-Section Ultrasound Phased Array Applicator for Deep Localized Hyperthermia // IEEE. 1991. V. l. № 38. P. 634–643.
Дополнительные файлы
