Comparação entre imagens de ressonância magnética e tomografia computadorizada usadas para corrigir o crânio

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 13407 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

O ultrassom focado transcraniano com o sistema InSightec Exablate usa ablação térmica para o tratamento de distúrbios de movimento e humor e ruptura da barreira hematoencefálica para terapia tumoral. O sistema usa imagens de tomografia computadorizada (TC) para calcular correções de fase que levam em conta as aberrações causadas pelo crânio humano. Este trabalho investiga se imagens de ressonância magnética (RM) podem ser utilizadas como alternativa às imagens de TC para calcular correções de fase. As correções de fase foram calculadas usando o método de hidrofone padrão ouro e o método de rastreamento de raios InSightec padrão de atendimento. Máscara de imagem binária de RM, TC simulada por RM (MRsimCT) e imagens de TC de três crânios humanos ex vivo foram fornecidas como entradas para o método de rastreamento de raios InSightec. Os crânios humanos ex vivo desgaseificados foram sonicados com um transdutor hemisférico phased array de 670 kHz (InSightec Exablate 4000). Varreduras raster 3D dos perfis de feixe foram adquiridas usando um hidrofone montado em um sistema posicionador de 3 eixos. Os pontos focais foram avaliados usando seis métricas: pressão no alvo, pressão de pico, intensidade no alvo, intensidade de pico, erro de posicionamento e volume do ponto focal. Foram investigados alvos no foco geométrico e 5 mm laterais ao foco geométrico. Não houve diferença estatística entre nenhuma das métricas em qualquer alvo usando MRsimCT ou CT para correção de aberração de fase. Ao contrário do MRsimCT, o uso de imagens de TC para correção de aberrações requer registro nas imagens de RM do dia do tratamento; O registro incorreto da TC dentro de uma faixa de ± 2 graus de erro de rotação ao longo de três dimensões reduziu a intensidade do ponto focal em até 9,4%. As imagens MRsimCT usadas para correção de aberração de fase para o crânio produzem resultados semelhantes aos da correção baseada em TC, evitando erros de registro de TC para RM e exposição desnecessária do paciente à radiação ionizante.

O ultrassom focalizado transcraniano (FUS) é uma modalidade terapêutica sem incisão que tem aplicações humanas para ablação térmica1,2,3,4 como alternativa à cirurgia cerebral aberta, neuromodulação5,6,7 para sondar os circuitos do cérebro e abertura da barreira hematoencefálica8 ,9,10,11 para melhorar a administração direcionada de medicamentos ao cérebro. Nessas aplicações, o ultrassom é transmitido através do crânio intacto e focado profundamente no tecido cerebral para induzir efeitos térmicos ou biomecânicos. Esses efeitos podem ser transitórios ou irreversíveis dependendo dos parâmetros utilizados durante o tratamento.

Focar o ultrassom através do crânio intacto é um desafio porque o crânio desfoca o feixe de ultrassom e desvia o ponto focal do alvo. A correção dos efeitos do crânio é altamente complexa devido à heterogeneidade do crânio dentro e entre os pacientes, variando frequentemente em espessura, forma, tamanho e composição óssea. As diferenças entre os crânios resultam em uma ampla gama de eficiências do ultrassom transcraniano entre os pacientes, de modo que a mesma potência aplicada pode levar a um aumento de quatro vezes na temperatura no ponto focal12.

Muitos métodos foram propostos para explicar os efeitos aberrantes do crânio, a fim de reorientar o ponto focal. Esses métodos incluem rastreamento de raios 13,14,15, domínio de tempo de diferenças finitas (FDTD) 14,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26, domínio de tempo pseudo-espectral (PSTD) 27 ,28,29,30,31 e espectro angular híbrido (HAS)12,32,33,34,35,36,37. Embora esses métodos sejam diferentes em teoria e implementação, eles têm uma semelhança: precisam modelar computacionalmente o crânio para estimar e corrigir seus efeitos aberrantes. Para tratamentos clínicos de ablação, imagens de tomografia computadorizada (TC) são usadas para criar esses modelos computacionais de crânio. No entanto, o uso da TC apresenta diversas desvantagens. Primeiro, as imagens de TC pré-operatórias precisam ser registradas em imagens de ressonância magnética (RM) intra-operatórias, podendo levar a erros de registro. Erros no registro podem comprometer as correções de fase e levar à degradação do desempenho da formação de feixe. Em segundo lugar, a TC expõe os pacientes à radiação ionizante, o que é indesejável, por exemplo, em populações pediátricas. Também é indesejável para uso com neuromodulação, pois os voluntários podem ser desencorajados de participar de experimentos necessários para traduzir a tecnologia para uso humano. Terceiro, o uso de imagens de tomografia computadorizada aumenta a sobrecarga do fluxo de trabalho do tratamento, exigindo sessões de imagem separadas para adquirir todas as imagens pré-operatórias.