Confronto tra imaging RM e TC utilizzato per correggere il cranio

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13407 (2022) Citare questo articolo

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Gli ultrasuoni focalizzati transcranici con il sistema InSightec Exablate utilizzano l'ablazione termica per il trattamento dei disturbi del movimento e dell'umore e la rottura della barriera ematoencefalica per la terapia dei tumori. Il sistema utilizza immagini di tomografia computerizzata (CT) per calcolare le correzioni di fase che tengono conto delle aberrazioni causate dal cranio umano. Questo lavoro indaga se le immagini di risonanza magnetica (RM) possono essere utilizzate come alternativa alle immagini TC per calcolare le correzioni di fase. Le correzioni di fase sono state calcolate utilizzando il metodo dell'idrofono standard di riferimento e il metodo di tracciamento dei raggi InSightec standard di cura. La maschera di immagine binaria RM, la TC simulata dalla RM (MRsimCT) e le immagini TC di tre teschi umani ex vivo sono state fornite come input per il metodo di ray tracing InSightec. I crani umani ex vivo degasati sono stati sonicati con un trasduttore emisferico a schiera di fase da 670 kHz (InSightec Exablate 4000). Le scansioni raster 3D dei profili delle travi sono state acquisite utilizzando un idrofono montato su un sistema di posizionamento a 3 assi. Le macchie focali sono state valutate utilizzando sei parametri: pressione sul bersaglio, pressione di picco, intensità sul bersaglio, intensità di picco, errore di posizionamento e volume della macchia focale. Sono stati studiati i target al fuoco geometrico e 5 mm lateralmente al fuoco geometrico. Non è stata riscontrata alcuna differenza statistica tra i parametri di entrambi i target utilizzando MRsimCT o CT per la correzione dell'aberrazione di fase. A differenza della MRsimCT, l'uso delle immagini TC per la correzione delle aberrazioni richiede la registrazione delle immagini RM del giorno del trattamento; È stato dimostrato che l'errata registrazione della TC entro un intervallo di errore di rotazione di ± 2 gradi lungo le tre dimensioni riduce l'intensità del punto focale fino al 9,4%. Le immagini MRsimCT utilizzate per la correzione dell'aberrazione di fase per il cranio producono risultati simili alla correzione basata su TC, evitando sia errori di registrazione da TC a RM sia un'esposizione non necessaria del paziente alle radiazioni ionizzanti.

L'ultrasuono transcranico focalizzato (FUS) è ​​una modalità terapeutica senza incisione che ha applicazioni umane per l'ablazione termica1,2,3,4 come alternativa alla chirurgia cerebrale aperta, alla neuromodulazione5,6,7 per sondare i circuiti del cervello e all'apertura della barriera ematoencefalica8 ,9,10,11 per migliorare la somministrazione mirata di farmaci al cervello. In queste applicazioni, gli ultrasuoni vengono trasmessi attraverso il cranio intatto e focalizzati in profondità nel tessuto cerebrale per indurre effetti termici o biomeccanici. Questi effetti possono essere transitori o irreversibili a seconda dei parametri utilizzati durante il trattamento.

Mettere a fuoco gli ultrasuoni attraverso il cranio intatto è difficile perché il cranio sfoca il fascio di ultrasuoni e sposta il punto focale lontano dal bersaglio. Correggere gli effetti del cranio è molto complesso a causa dell'eterogeneità del cranio all'interno e tra i pazienti, che spesso varia in spessore, forma, dimensione e composizione ossea. Le differenze tra i crani determinano un'ampia gamma di efficienze degli ultrasuoni transcranici tra i pazienti, in modo tale che la stessa potenza applicata può portare a un aumento di temperatura quattro volte maggiore nel punto focale12.

Sono stati proposti molti metodi per tenere conto degli effetti aberranti del cranio al fine di rimettere a fuoco il punto focale. Questi metodi includono il ray tracing13,14,15, il dominio del tempo alle differenze finite (FDTD)14,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26, il dominio del tempo pseudo-spettrale (PSTD)27 ,28,29,30,31 e spettro angolare ibrido (HAS)12,32,33,34,35,36,37. Sebbene questi metodi siano diversi nella teoria e nell’implementazione, hanno una somiglianza: devono modellare computazionalmente il cranio per stimare e correggere i suoi effetti aberranti. Per i trattamenti di ablazione clinica, le immagini della tomografia computerizzata (CT) vengono utilizzate per creare questi modelli computazionali del cranio. Tuttavia, l’uso della TC presenta diversi svantaggi. Innanzitutto, le immagini TC preoperatorie devono essere registrate sulle immagini di risonanza magnetica (RM) intraoperatoria, portando così potenzialmente a errori di registrazione. Errori nella registrazione potrebbero compromettere le correzioni di fase e portare al degrado delle prestazioni del beamforming. In secondo luogo, la TC espone i pazienti a radiazioni ionizzanti, il che è indesiderabile, ad esempio, nelle popolazioni pediatriche. È anche indesiderabile l’uso con la neuromodulazione, poiché i volontari potrebbero essere scoraggiati dal partecipare agli esperimenti necessari per tradurre la tecnologia per uso umano. In terzo luogo, l’utilizzo delle immagini TC aumenta il sovraccarico del flusso di lavoro del trattamento, richiedendo sessioni di imaging separate per acquisire tutte le immagini preoperatorie.